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Denis Bernardin Three fundamental dimensionless constants in physics.Abstract : This study highlights the fundamental role of three key dimensionless constants in physics. Two are already well known, they are: α, fine structure constant, and δ, ratio between the mass of the proton and that of the electron. The dimensionless constant, highlighted in this article, is the constant β whose order of magnitude is 2,39 x 1022 and which plays for gravitation a role similar to that of the fine structure constant for electromagnetism. This study also aims for define rigorously the mathematical structure of space containing any physical value whatever the units of measurement used and to express in this space, from the three dimensionless constants mentioned above, most of the constants of physics in a non-anthropocentric system of units., Denis Bernardin Trois constantes adimensionnelles clés en physique.Résumé : Cette étude met en lumière le rôle essentiel de trois constantes adimensionnelles clés en physique. Deux sont déjà bien connues, ce sont : α, constante de structure fine, et δ, rapport entre la masse du proton et celle de l’électron. La constante adimensionnelle, mise en lumière dans cet article, est la constante β dont l’ordre de grandeur est de 2,39 x 1022 et qui joue pour la gravitation un rôle analogue à celui de la constante de structure fine pour l’électromagnétisme. Cette étude a également pour objectif de définir rigoureusement la structure mathématique de l’espace contenant toute valeur physique quelles que soient les unités de mesure utilisées et d’exprimer dans cet espace, à partir des trois constantes adimensionnelles citées plus haut la plupart des constantes de la physique dans un système d’unités non anthropocentrique.

Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la société SCLE SFE (Groupe ENGIE) et le laboratoire Laplace. Elle porte sur le développement d’une méthodologie permettant d’élaborer des modèles dits « en similitude », à échelle de puissance et de temps réduites. Ces modèles peuvent servir pour l’analyse des systèmes mais ils sont en particulier utiles pour l’expérimentation en temps réel des systèmes énergétiques. En effet, les expérimentations sont très souvent menées à échelle réduite pour des questions de taille, de coût,… Certaines parties de ces expérimentations peuvent être « émulées » (simulées physiquement par des dispositifs de puissance) d’autres étant constitués de composants physiques : on parle alors de procédure Hardware in the Loop (HIL). Même si, à la base, la démarche de réduction d’échelle a une portée générale, notre gamme d’application principale concerne les micro réseaux avec intégration de sources renouvelables intermittentes couplées à des composants de stockage. En conséquence,nos travaux se focalisent sur la mise en œuvre de modèles de similitudes en puissance/énergie/temps de sources ENR et de stockeurs. La notion de réduction de temps, nous parlerons de « temps virtuel compacté », est un des concepts clés de ces travaux. Une attention particulière est portée sur le développement d’un émulateur physique de batterie électrochimique.En effet, le stockage d’énergie est un point clé dans un micro réseau. De plus, cet élément présente de fortes non-linéarités dont la mise en similitude doit impérativement tenir compte et n’est pas triviale. Une fois ces modèles développés, on les éprouve via la mise en œuvre d’essais en expérimentation simulée par émulateurs physiques à échelle de puissance réduite et en temps virtuel compacté. Ces essais permettent par ailleurs de confronter les notions d’émulateurs «copie-modèle », pour lequel un modèle est utilisé pour reproduire le comportement du système, et d’émulateurs « copie-image », où le comportement du système est reproduit à partir d’un de ses composants réels (par exemple une cellule pour la batterie).

Mechanical surface treatments are widely used in manufacturing industries in order to improve mechanical properties of materials. Among them, shot peening is certainly the most known, even if ultrasonic shot peening and laser shock peening are becoming more and more common. This work consists in a large study of shot peening, divided in three parts.The first one is focused on the conception of a semi analytical model for residual stress prediction after conventional shot peening or ultrasonic shot peening. An approach able to chain the whole shot peening process, starting from process parameters to residual stress field in a structure is proposed. Several numerical simulations of shot-body impacts are carried out in order to determine the parameters of the model.In the second part of this work, a characterization of the ultrasonic shot peening process is performed thanks to many experimental measurements and shot dynamic simulations.The last part of this PhD work corresponds to an experimental analysis focused on the combination of ultrasonic shot peeing with gas nitriding on a martensitic steel. A comparison between ultrasonic shot peening, conventional shot peeing and laser shock peening effects is finally proposed, Les traitements de surface occupent une place très importante au niveau industriel, visant à améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. Parmi eux, le grenaillage de précontrainte (GC) est certainement le plus renommé, même si le grenaillage ultrasonore (GUS) et le choc laser (LSP) sont de plus en plus présents. Ce travail consiste en une étude approfondie du grenaillage qui peut être divisée en trois parties. La première partie propose un modèle semi analytique pour la prédiction des contraintes résiduelles après grenaillage conventionnel ou ultrasonore. Une démarche permettant d’obtenir la déformation d’une pièce à géométrie complexe à partir des paramètres du procède de grenaillage conventionnel ou ultrasonore a été mise en place. Plusieurs simulations numériques d’impacts bille-massif ont été réalisées dans l’objectif de choisir les variables à prendre en compte dans le modèle proposé. Dans une deuxième partie, plusieurs séries de mesures expérimentales et de simulations numériques de la dynamique des billes ont été réalisées afin de permettre une optimisation et une meilleure compréhension du GUS. Dans la dernière partie de ce travail, un grand nombre de mesures expérimentales ont été menées afin d’étudier le couplage entre le grenaillage ultrasonore et la nitruration gazeuse d’un acier martensitique. Enfin, une comparaison entre le grenaillage ultrasonore, conventionnel et le choc laser est proposée

Après avoir enseigné un nouveau concept ou un nouvel outil, il est fréquent d’entendre chez les élèves le questionnement : « Mais pourquoi ne nous l’a-t-on pas dit plus tôt ? ». Si la réponse est souvent qu’un enseignement plus précoce n’aurait probablement pas permis aux élèves de pleinement saisir cette nouvelle notion, la question posée est parfois pertinente. C’est ce qu’il nous a semblé à propos de l’analyse dimensionnelle.Comme nous allons le voir, ce concept (autant physique que mathématique !) est tout à la fois un puissant outil d’apprentissage, de vérification et même de démonstration. Et ainsi, il semble opportun de le transmettre à des élèves aussi vite que possible. Or, dans les programmes actuels, l’analyse dimensionnelle n’apparaît dans toute sa richesse qu’en classe de terminale scientifique voire dans l’enseignement supérieur. La présente étude s’est fixée pour objectif de faire comprendre l’analyse dimensionnelle à des élèves de classes antérieures : la seconde et la première scientifique. Hors des programmes, cet enseignement a nécessité de relever certains défis mais, nous le verrons, les avantages procurés aux élèves se sont montrés à la hauteur de ces défis !

A novel mixing device (Soft Elastic Reactor – SER) that induces mixing by vibration of the tank wall is presented and characterized using dimensional analysis. This type of mixing system, which does not have an agitator inside the tank, is interesting for specific mixing applications, although it is still seldom used due to the lack of knowledge about how it works. First, the set of dimensionless numbers governing the mixing time of the SER was established. Then, the shapes of mixing curves and the onset of different mixing regimes as a function of the fluid property (i.e., viscosity) and operating conditions (i.e., penetration depth and vibration frequency) were experimentally obtained. Results showed that a constant number of beatings is required to achieve the desired degree of homogeneity under a laminar regime, while a sharp decrease in the number of strikes can be observed when the laminar regime is over. The shape of the mixing curves for the SER was compared to those of conventional mixers in which agitation is ensured by the revolution around a vertical axis of a centered agitator. Similarities between the mixing curves are discussed: it appears that regardless of the mixer type, the key parameter governing the desired degree of homogeneity is the number of excitation cycles, i.e., either the number of agitator revolutions for classical mixers or the number of strikes for the SER.

Severe accidents’ modeling is required for the design and safety analysis of ASTRID, a Generation IV Sodium-cooled Fast Reactor under development in France. This thesis aims at contributing to identify the driving processes of ASTRID’s severe accidents scenarios. First, a stability criterion is developed to analyze the beginning of an unprotected loss of flow accident. This stability criterion assesses whether the decreasing flow is stable or unstable, leading to the core disassembly. This criterion also considers power variations during the loss of flow, which former stability criteria do not take into account. Then, the driving processes of a transient involving a fuel vaporisation followed by its vapor expansion are identified using a dimensional analysis. The simplifications justified by this dimensional analysis are considered further to develop a numerical tool that computes the mechanical energy transmitted to the core vessel in case of fuel vaporisation. The thermal exchange between the expanding fuel vapor and the sodium coolant is especially analyzed. The tool is validated by comparing its results to experimental measures and to another tool’s computations. In the end, parametric studies are done in order to assess the tool computations’ variability induced by physical uncertainties or modeling options.; La démarche de conception et de sûreté du réacteur ASTRID, démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium, implique la modélisation de scénarios d’accidents graves qui font intervenir une fusion du cœur du réacteur. L’objectif de la thèse, en soutien à cette modélisation, est de contribuer à l’identification des processus susceptibles de faire bifurquer un scénario d’accident grave. Deux phases d’un scénario sont traitées pour cela. Tout d’abord, le début d’une séquence de perte de débit primaire non protégée est analysé à l’aide d’un critère analytique développé pendant la thèse, visant à prédire la bifurcation de la décroissance du débit vers un état stabilisé ou bien vers un état instable, menant à la dégradation du cœur. Ce nouveau critère, qui présente l’intérêt de tenir compte de l’effet de l’évolution de la puissance sur la stabilité du débit, est vérifié à l’aide d’un outil de calcul dédié aux accidents de perte de débit non protégés. Dans un second temps, les processus prépondérants impliqués dans une vaporisation de combustible liquide suivie d’une détente de sa vapeur, consécutives à une excursion de puissance accidentelle, sont identifiés via une analyse dimensionnelle. En reprenant les résultats de cette analyse, un outil de calcul est par la suite développé, dont l’objet est de déterminer l’énergie mécanique transmise à la cuve du réacteur lors de la détente. La question du transfert thermique entre la vapeur de combustible se détendant et le caloporteur est particulièrement étudiée. Cet outil est validé via une comparaison à des résultats expérimentaux et à des résultats de calculs issus d’un autre code. Des études paramétriques permettent enfin de quantifier la variabilité des résultats due au choix de modélisation et aux incertitudes sur les données physiques employées.

The objective of this thesis is to develop methods and tools dedicated to the preliminary design of multi-physical systems, with a particular attention to the thermal modelling of actuators and embedded electrical systems. This need arises from the current industrial research which led to the More Electrical Aircraft program (MEA), which deals with new technologies of embedded systems where the thermal management of such devices is essential. First of all, this thesis proposes a methodology based on dimensional analysis and surrogate modelling technique to generate analytical models from finite element simulations. Furthermore, a methodology for constructing optimal design of experiments intended for building surrogate models using dimensionless variables is also proposed. Finaly, two numerical approaches which enable to reduce the number of dimensionless variables of a problem and to study their physical significance are proposed. The first approach uses sensitivity analysis in an original way to highlight the physical significance of the dimensionless numbers for a considered problem. The second approach uses optimization algorithms to reduce the number of dimensionless variables. In the second part of the thesis, the proposed methods were successfully applied to model several components of an electromechanical actuator (EMA) of an aileron (electrical brushless motor, mechanical housing, etc.), and of a power converter (capacitor, inductance, heatsink) used in an aeronautical context.; L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes et outils numériques dédiés à la conception préliminaire de systèmes multi-physiques, avec une attention particulière quant à l'évaluation des transferts thermiques mis en jeu dans les actionneurs et les systèmes électriques embarqués. Ce besoin émane de la recherche industrielle actuelle menant au développement de l'avion plus électrique ("More Electrical Aircraft " - MEA), qui met en œuvre de nouvelles technologies de systèmes embarqués où la gestion thermique de tels dispositifs est primordiale. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthodologie basée sur l'analyse dimensionnelle et les modèles de substitution pour générer des modèles analytiques à partir de simulations éléments finis. De plus, une méthodologie de génération de plans d'expériences optimaux adaptée à l'utilisation du formalisme adimensionnel est également proposée. Dans un deuxième temps, deux approches numériques permettant de réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème et d'étudier leur significativité physique sont proposées. La première approche utilise l'analyse de sensibilité d'une façon originale pour mettre en avant la significativité des nombres adimensionnels du problème considéré. La deuxième approche fait appel à des algorithmes d'optimisation pour réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème. Enfin, les méthodes proposées ont été appliquées avec succès pour modéliser les composants d'un actionneur électromécanique d'aileron (moteur électrique de type brushless, carter mécanique), et d'un convertisseur de puissance électrique (condensateur, inductance, dissipateur) utilisé dans le contexte aéronautique.

Ces dernières décennies, une attention particulière a été portée sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la propagation de vagues en environnements côtiers. Une description physiquement correcte des phénomènes à grande échelle, qui apparaissent dans les régions d'eau peu profonde, doit prendre en compte de forts effets non-linéaires et dispersifs, ainsi que l'interaction avec des bathymétries complexes. Dans un premier temps, une étude du comportement en régime non linéaire de différents modèles de type Boussinesq est proposée, démontrant l'avantage d'utiliser des modèles fortement non-linéaires par rapport à des modèles faiblement non-linéaires et faiblement dispersifs (couramment utilisés). Ensuite, une nouvelle approche flexible pour résoudre les équations fortement non-linéaires et faiblement dispersives de Green-Naghdi est présentée. Cette stratégie permet d'améliorer un code "shallow water" existant par le simple ajout d'un terme algébrique dans l'équation du moment et est particulièrement adapté à l'utilisation de techniques hybrides pour le déferlement des vagues. De plus, la première discrétisation des équations de Green-Naghdi sur maillage non structuré est proposée via des schémas hybrides Volume Fini/Élément Fini. Finalement, les modèles et méthodes développés dans la thèse sont appliqués à l'étude du problème physique de la formation du mascaret dans des estuaires convergents et alluviaux. Cela a amené à la première caractérisation d'estuaire naturel en terme d'apparition de mascaret.; Over the last decades, there has been considerable attention in the accurate mathematical modeling and numerical simulations of free surface wave propagation in near-shore environments. A physical correct description of the large scale phenomena, which take place in the shallow water region, must account for strong nonlinear and dispersive effects, along with the interaction with complex topographies. First, a study on the behavior in nonlinear regime of different Boussinesq-type models is proposed, showing the advantage of using fully-nonlinear models with respect to weakly-nonlinear and weakly dispersive models (commonly employed). Secondly, a new flexible strategy for solving the fully-nonlinear and weakly-dispersive Green-Naghdi equations is presented, which allows to enhance an existing shallow water code by simply adding an algebraic term to the momentum balance and is particularly adapted for the use of hybrid techniques for wave breaking. Moreover, the first discretization of the Green-Naghdi equations on unstructured meshes is proposed via hybrid finite volume/ finite element schemes. Finally, the models and the methods developed in the thesis are deployed to study the physical problem of bore formation in convergent alluvial estuary, providing the first characterization of natural estuaries in terms of bore inception.

National audience; Les travaux présentés ici concernent l'utilisation d'une méthode d'obtention de méta-modèle (Variable Power Law Meta-model) qui combine l'analyse dimensionnelle et les techniques de surfaces de réponses. La méthode présentée ici génère des modèles où les variables employées sont des nombres adimensionnels ce qui permet d'intégrer une partie de la physique d'un problème de transferts thermiques au sein du modèle mathématique. Cette méthode a permis de retrouver des lois de corrélations disponibles dans la littérature pour des configurations géométriques simples et a été utilisée pour construire des modèles thermiques d'un actionneur électromécanique d'aileron.

International audience; This paper deals with the dynamic behavior of periodic reticulated beams made of symmetric unbraced framed cells. Such archetypical cells can present a high contrast between shear and compression deformabilities that opens the possibility of enriched local kinematics. Through the homogenization method of periodic discrete media associated with a systematic use of scaling, the existence of atypical gyration modes is established theoretically. These latter modes appear when the elastic moment is balanced by the rotation inertia, conversely to "natural" modes where the elastic force is balanced by the translation inertia. A generalized beam modeling including both "natural" and gyration modes is proposed and discussed through a dimensional analysis. The results are confirmed on numerical examples.

This document is a short (and hopefully concise) introduction to dimensional analysis and is not expected to be printed. Indeed, it relies on URL links (in colored text) to refer to information sources and complementary studies, so it does not provide a large bibliography, nor many pictures.It has been realized with the kind help of Ton Lubrecht and Marie-Pierre Noutary.

Some forty years ago, when geotechnical centrifuge modelling had been rediscovered and was being developed once more after the early work of Phillips (1869), only a few studies were devoted to the questions and concerns about scaling laws and similitude conditions. During the first decades, it was relatively easy for researchers to keep themselves informed about the main outcomes of these studies and to take them into account when designing new centrifuge model tests. This is obviously not true today following the welcome growth in terms of the large number of centrifuge facilities now in operation around the world. It is increasingly difficult, but yet absolutely essential, to know about the relevant developments concerning studies into the scaling laws and, furthermore, into the limits of the domains of the use of centrifuge modelling. On the other hand, new media offers a significant opportunity to provide this resource to the physical modelling community. New topics are investigated by many researchers as they become more inventive in the ways in which geotechnical centrifuge modelling is applied to solve pressing problems within geotechnical engineering, and across other disciplines too. Innovative work presenting comparisons between centrifuge model tests and true scale tests are providing original data on the validity of the scaling factors. During the TC2 meeting at St John’s (Canada) in July 2002, the first author, J. Garnier (LCPC), suggested making an inventory of the scaling laws and similitude questions relating to centrifuge modelling. The aim of this catalogue is to present the questions already solved (with inclusion of the references of the papers where the results have been presented) and the unsolved problems (on which research should continue). The first draft of this catalogue is now available and it is hoped that it will become a useful tool for scientists and researchers involved in centrifuge modelling. Of course, this catalogue will be regularly updated, every four years during the International Conferences on Physical Modelling in Geotechnics. The latest version of the catalogue is available on the TC2 website ( www.tc2.civil.uwa.edu.au ).

The present work addresses a fundamental study on flighted rotary kilns. They are gas-solid reactors, used in a variety of industries to process heterogeneous media. However, operating these kilns mainly relies on the know-how of operators due to insufficient fundamental understanding. The aim of this work is to provide engineers with relevant tools and models to assist in the design stage and the performance improvement of existing operating process units, in particular indirectly heated rotary kilns, inclined and equipped with lifters. In the first part, we studied the effects of operating parameters on the flow of materials of differing properties and shape. For this purpose, residence time distribution measurements were performed through experimental stimulus response tests. Two pilot-scale rotary kilns with similar length-to-diameter ratios, but a dimension ratio of about two were used in this study. We focused on the effects of lifter shape and configurations. The effects of the rotational speed, the kiln slope, the mass flow rate and the exit dam height were also analyzed. The flow of solids was quantitatively characterized primarily by the experimental mean residence time, hold-up, and axial dispersion coefficient. Using a dimensional analysis, models were established to predict the mean residence time, the filling degree and the axial dispersion coefficient, providing basic information on the kiln design, solid particle properties and operating conditions. In the second part, we studied the heat transfer mechanisms occurring in the flighted rotary kiln by measuring temperature profiles at the wall, the freeboard gas and the bulk of solids. Analysis of the temperature profiles focused on two main issues: assessment of the heat transfer coefficient between wall and gas, and assessment of the heat transfer coefficient between wall and solid particles. The lumped system analysis and a heat balance using the power supplied for the heating were applied to determine the experimental heat transfer coefficients. The effects of operating conditions and lifting flights were analyzed. Both heat transfer coefficients were then correlated through dimensional considerations. Lastly a global dynamic model mainly based on the models developed in this study can be used to determine wall, gas and bulk solids axial temperature profiles in an indirectly heated flighted rotary kiln. This global model needs to be completed with specific models related to a reaction so as to be used as a framework for the simulation of specific industrial rotary kilns., Ce travail porte sur l'étude de fours tournants équipés de releveurs. Ce sont des contacteurs gaz/solide largement répandus dans de nombreux secteurs industriels mettant en oeuvre des solides divisés. Cependant en raison d'une faible connaissance du fonctionnement de ces équipements notamment en matière d'écoulement ou de transfert thermique, leur utilisation repose encore beaucoup sur le savoir faire des opérateurs acquis avec le temps. Ainsi ce travail vise à fournir aux ingénieurs des outils de connaissance et d'extrapolation pour les accompagner dans les phases de dimensionnement, mais aussi d'optimisation de procédés existants, en particulier pour des fours tournants en chauffage indirect et équipés de releveurs. La première partie de cette étude porte sur l'influence des conditions opératoires sur l'hydrodynamique des solides divisés de forme et taille différentes. Pour ce faire, des procédures expérimentales pour la mesure de distribution des temps de séjours des particules solides ont été mises en oeuvres. Deux pilotes de four tournant ont été utilisés. Ces derniers ont un ratio longueur sur diamètre équivalent mais un ratio de taille de 2. L'hydrodynamique des fours a été caractérisée quantitativement à partir des résultats expérimentaux en terme de temps de séjour des solides, taux de remplissage du four ainsi que de la dispersion axiale des particules. Ces derniers ont été modélisés par analyse dimensionnelle dans un souci de généralité en prenant en compte la présence d'éléments internes (releveurs, grille) ou diaphragmes en sortie, mais aussi des paramètres opératoires tels que la vitesse de rotation du tube, son inclinaison ou le débit des particules solides. La seconde partie de cette étude s'intéresse aux processus de transfert thermique dans les fours tournants en chauffage indirect et équipés de releveurs. Cette étude repose sur la mesure des profils de température à la paroi, dans la phase gazeuse et le lit de particules solides. L'analyse de ces profils de température se focalise sur la détermination des coefficients de transfert de chaleur entre la paroi et le lit de solides d'une part, et entre la paroi et le gaz d'autre part. Une méthode d'analyse globale de système mince et un bilan global intégrant la puissance fournie pour la chauffe sont utilisés pour la détermination de ces coefficients de transfert. Les résultats obtenus permettent d'une part de mettre en évidence l'effet des releveurs ainsi que l'influence des paramètres opératoires sur ces coefficients de transfert de chaleur et d'autre part d'établir par analyse dimensionnelle des modèles pour ces derniers. Enfin, ce travail se termine par la mise en place d'un modèle dynamique simplifié de four tournant en chauffage indirect permettant la détermination des profils de température le long du four et pouvant être facilement adapté à divers procédés.

We develop in this study new experimental methodologies for the multi-scale experimental investigation of the micromechanics of polycrystalline materials. These methodologies are applied to synthetic halite (NaCl), which is a convenient model polycristal due to its viscoplastic behavior at both ambient and high temperatures (350°C). In addition, halite is used for industrial applications such as underground energy and waste storage. The ductile deformation at the scale of the microstructure operates not only through conventional intra-granular plasticity, but also through inter-granular deformation mechanisms, such as grain-boundary sliding (GBS). First, we precisely quantify the relative contribution of each of these local mechanisms to the macroscopic deformation of halite. For this purpose, we apply digital image correlation (DIC) technique to high resolution images obtained during uniaxial compression tests in the chamber of a scanning electron microscope (SEM). The DIC algorithms have been modified to account for the discontinuous kinematics at grain boundries. We also propose a method to improve accuracy of GBS quantification, which consists in creating specific artificial patterns across grain-boundaries by electron beam lithography. The results show that GBS is present from the beginning of plastic deformation of the polycrystal. The 2D observations (using SEM) are complemented by 3D volume investigations using X-ray computed microtomography and Digital Volume Correlation (DVC) techniques. In order to obtain local volume markers differing in contrast (density) from NaCl and adapted to DVC, micrometric copper particles (3 % in volume) are dispersed into the material during its elaboration. Various microstructures (in terms of average grain size) are considered. New DVC protocols allow us to obtain the three-dimensional distribution of ductile deformation at the scale of the polycrystalline microstructure, with a spatial resolution finer than the average grain size. 3D and 2D local mechanical fields are compared on the same samples submitted to uniaxial compression. The strain patterns and the deformation mechanisms observed in depth of the sample are consistent with those identified by 2D observations. The results show the same organization and development of strain localization bands in relation with the loading conditions and microstructure, both at the surface and in volume. The importance of inter-granular mechanisms for the plastic deformation and diffuse damage of halite is also confirmed in 3D. Finally, in view of a further numerical model of the plasticity of the polycrystal, the three-dimensional polycrystalline microstructure is characterized by diffraction contrast tomography and compared to 2D measurements obtained by electron BackScattered diffraction; Dans ce travail est proposée une méthodologie générale de micromécanique expérimentale multi-échelle des polycristaux. Elle a été appliquée dans le cas d'un polycristal de sel gemme, qui en plus d'avoir des applications industrielles de stockage d'énergie et de déchets, constitue un matériau modèle de micromécanique présentant une déformation plastique aussi bien à l'ambiante qu'à haute température. La déformation ductile à l'échelle de la microstructure opère par la plasticité cristalline intra-granulaire traditionnelle, mais aussi des mécanismes de déformation inter-granulaires, tels que le glissement aux joints de grains. Nous avons dans un premier temps quantifié précisément la part de chacun de ces mécanismes locaux dans la déformation macroscopique du sel en se basant sur la technique de corrélation d'images numériques (CIN), obtenues au cours d'un essai de compression uni-axiale in-situ dans la chambre d'un microscope électronique à balayage (MEB). Afin d'augmenter la précision de cette quantification, des motifs spéciaux gravés aux interfaces des grains par micro-lithograhie ont été proposés. Ensuite, les observations surfaciques (par MEB) ont été étendues au cœur du matériau grâce à la micro-tomographie à rayons X et à la technique de corrélation d'images volumiques (CIV). Pour ce faire, des particules micrométriques de cuivre (3 % en volume) ont été dispersées dans le matériau lors de son élaboration, afin d'avoir un marquage local volumique adapté pour la CIV. Différentes microstructures (en termes de taille moyenne de grain) ont été considérées. De nouvelles procédures de CIV ont permis d'accéder à la répartition tridimensionnelle de la déformation ductile à l'échelle de la microstructure polycristalline avec une précision inferieure à la taille moyenne de grain. Les mécanismes de déformation observés à cœur d'échantillon sous chargement uni-axial sont cohérents avec ceux identifiés par les observations surfaciques. L'importance des mécanismes inter-granulaires dans la déformation ductile et dans l'endommagement diffus du sel a été confirmée. Une caractérisation tridimensionnelle de la microstructure par DCT (Diffraction Contrast Tomography) a été effectuée et comparée à des mesures surfaciques d'orientation cristalline par EBSD (Electron BackScattered Diffraction). Enfin, la comparaison des champs de déformation surfacique et volumique obtenus sur les mêmes échantillons a permis de retrouver les mêmes organisations et développements des localisations de déformation ductile en surface et en volume, et de les relier aux conditions de chargement et à la microstructure

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Le Grenaillage est un procédé de traitement mécaniquede surface, qui consiste à bombarder la surface du matériau avec des billes projetées à différentes vitesses.L’impact provoque une déformation plastique et donc des contraintes résiduelles de compression en surface. L’objectif de cette étude est l’amélioration de la maîtrise du procède de grenaillage et de prévoir la distribution de contraintes résiduelles après grenaillageà l’aide d’un modèle conçu grâce à l’analyse dimensionnelle. Les contraintes résiduelles dépendent des propriétés physiques des billes et du matériau traité, des conditions du procédé etc, et ces paramètres sont prisen compte dans le modèle. Une comparaison entre les profils de contrainte modélisés et des profils expérimentaux est proposée afin de tester leur fiabilité. Pour simuler le grenaillage sur des pièces complexes nous proposons de calculer le profil de contrainte avec le modèle et de l’introduire ensuite dans un modèle éléments finis de la pièce complexe qui fournira, après calcul, l’état de contraintes et déformations sur toute la pièce. La possibilité d’utiliser un modèle dynamique des billes qui permet de simuler le grenaillage ultrason (GUS) et de fournir la distribution des vitesses d’impact permet l’utilisation de ce modèle pour le GUS. La prise en compte du profil de contrainte résiduelle dans le dimensionnement d’une pièce est extrêmement importante. L’avantage du modèle proposé est sa rapidité d’exécution, et la simplicité du passage entre les profils de contrainte modélisés à la pièce déformé à l’aide d’un code FEM et avec un calcul de rééquilibrage statique. Les futures développements concernentles méthodes d’introduction des contraintes afin d’effectuer des calculs sur des pièces à géométrie de plus en plus complexes.

L'impact des paramètres géométriques et opératoires sur le transfert de masse dans un réacteur à lit fluidisé semi-industriel (d'un volume maximal de 2,8 m3) a été étudié. Le coefficient volumique de transfert d'oxygène (kLa20) a été mesuré en eau claire sur un ensemble de 39 conditions opératoires. Les résultats obtenus mettent en évidence l'impact du taux de remplissage en biomedia sur les performances d'oxygénation. Une augmentation du kLa20 comprise entre +36 et +50% est observée lorsque le taux de remplissage augmente de 0 à 50%, pouvant être expliquée par une diminution du diamètre des bulles d'air et une augmentation du temps de contact gaz/liquide. Un modèle global, issu de l'analyse dimensionnelle, est proposé pour la détermination du nombre de transfert (NT) en fonction de nombres adimensionnels et dépend de la géométrie du réacteur, du débit d'air et du taux de remplissage en biomedia. / This study was conducted on a semi-industrial pilot of 2.8 m3 to specify the impact of geometrical and operating parameters on mass transfer in a moving-bed biofilm reactor. The volumetric oxygen transfer coefficient (kLa20) was measured in clean water for 39 case studies. The results highlight the impact of biomedia fill ratio on the oxygenation performances. An increase of kLa20 between +36 and +50% is measured for an increase in biomedia fill ratio from 0 to 50%. This increase could be explained by a reduction in bubble diameter or an increase in gas/ liquid contact time. A global model, issued from dimensional analysis, is proposed to estimate the transfer number (NT) as a function of dimensionless numbers and depends on the geometry of the reactor, the air flow rate and the biomedia fill ratio.

RÉSUMÉ. Certains traitements thermiques génèrent sur les pièces mécaniques des déformations, locales ou globales, plus ou moins importantes selon le traitement et la nuance d'acier utilisés. Des opérations de finition, souvent coûteuses, sont alors nécessaires pour respecter les tolérances fonctionnelles spécifiées. Afin d'optimiser la nuance et le traitement, et d'ajuster les modèles de simulation, les variations géométriques de pièces " test " traitées thermiquement sont qualifiées et quantifiées par une analyse dimensionnelle. Les travaux présentés se centrent sur les stratégies de mesure et de dépouillement. Nous évoquons aussi l'identification de déformations issues de trempe d'essais sur deux nuances d'aciers étudiées. ABSTRACT. Some heat treatment generates on workpieces, local or global distortions which are more or less significant according to the treatment and the steel grade. Finishing operations are then necessary to respect the required functional tolerances. This may increase the cost of the product. In the objective to optimize both the steel grade and the heat treatment and to adjust the numerical simulation models, the geometrical variations of heat treated "test" parts are qualified and quantified by a dimensional analysis. In this article, we focus on part measurement and data processing strategies. We also evoke the identification of the distortions resulting from testing quenching on two studied steel grades.

Mini or nanoemulsions are widely used in different fields like cosmetic, pharmaceutic and biomedical… Different processes allow the preparation of nanoemulsions. However, they all present limitations in terms of droplet size, mixing energy, viscosity ratios, pressure ranges… This work focused on the development of a new process based on elongational flow for theelaboration of miniemulsions. The approach consisted in studying the influence of the process and formulation parameters on droplet sizes. This study allowed us to better understand the mechanisms of drop breakup. Then, a dimensional analysis was carried out in order to correlate the obtained droplet sizes to the studied parameters by the use of the appropriate dimensionless numbers. Finally, miniemulsion synthesis experiments were performed in order to try to combine, in the samedevice, both emulsification and polymerization, in the prospect of process intensification., Les mini ou nanoémulsions sont des systèmes fréquemment rencontrés dans différents domaines : cosmétique, pharmaceutique, biomédical… Plusieurs procédés permettent la préparation de nanoémulsions. Cependant, ils présentent tous des limitations en termes de taille des gouttelettes, d’énergie de mélange, de rapport de viscosité entre les phases dispersées et continues, de gamme de pression à appliquer… Ce travail s’intéresse au développement d’un nouveau dispositif basé sur un écoulement élongationnel pour l’élaboration de miniémulsions de monomères. La démarche a consisté d’abord à étudier l’influence des paramètres liés au procédé proprement dit puis à la formulation du système sur la taille des gouttelettes. Cette étude a permis de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fragmentation des gouttes. Une analyse dimensionnelle a ensuite été développée afin de corréler les tailles obtenues aux paramètres étudiés, par l’utilisation des nombres adimensionnels appropriés. Finalement, des expériences de synthèse en miniémulsion ont été conduites pour tenter de combiner dans le même dispositif les fonctions d’émulsificateur et de réacteur de polymérisation, dans une perspective d’intensification du procédé.

The objective of this work is to study the effect of the quantity of fillers on the rheological, mechanical and dimensional properties of calcareous concretes. These concretes were made with the same coarse aggregates and same sand coming from the same production, in order to avoid any artifact. Sand was used to manufacture five sands representative of the categories defined in the EN 12260 norm for aggregates for concretes, by mixture with its fine fraction or its grained fraction extracted beforehand by washing. The employed sands contain approximately 0, 6, 12, 18 and 24 % of fillers. The concretes were formulated with the BetonlabPro2 software, whose algorithms take into account the presence of the fillers limestones. Concretes were realized at first without superplastifiant, then in the presence of a superplastifiant measured in 2/3 of saturation. The obtained results showed that a quantity of fillers limestones from 100 to 130 kg/m3 for the concretes and from 60 to 80 kg / m3 for superplasticizred concretes allows obtaining optimal properties, in equal consistency. But, higher quantities of fillers do not deteriorate significantly the properties of the concretes, even if their packing density decreases. One explains this behavior not only by the binding effect allotted to the fillers limestones, but also by an improvement of the paste-aggregates bond. Mixtures containing the strongest rates of fillers were again studied to formulate self compacting concretes SCC, which require a big quantity of fillers. Crushed sands bring then the major part of this constituent, what opens to them a new way of use, L'objectif de la thèse est d'étudier l'effet de la quantité de fillers vis-à-vis des propriétés rhéologiques, mécaniques et dimensionnelles de bétons tout calcaire. Ces bétons ont été confectionnés avec les mêmes gravillons et le même sable provenant de la même production, afin d'éviter tout artéfact. Le sable a servi à fabriquer cinq sables représentatifs des catégories définies dans la norme EN 12260 des granulats à bétons, par mélange avec sa fraction fine ou sa fraction grenue extraites préalablement par lavage. Les sables fabriqués contiennent environ 0, 6, 12, 18 et 24% de fillers. Les bétons ont été formulés avec le logiciel BetonlabPro2, dont les algorithmes prennent en compte la présence des fillers calcaires. Les bétons ont été réalisés tout d'abord sans superplastifiant, puis en présence d'un superplastifiant dosé à 2/3 de la saturation. Les résultats obtenus ont montré qu'une quantité de fillers de 100 à 130 kg/m3 pour les bétons courants et de 60 à 80 kg/m3 pour les bétons superplastifiés, permet d'obtenir des propriétés optimales, à consistance égale. Mais des quantités supérieures de fillers n'altèrent pas significativement les propriétés des bétons, même si leur compacité diminue. On explique ce comportement non seulement par l'effet liant attribué aux fillers calcaires, mais aussi par une amélioration de la liaison pâte granulats. Les mélanges contenant les plus forts taux de fillers ont encore été étudiés pour formuler des bétons autoplaçants BAP, qui nécessitent une grande quantité de fillers. Les sables de concassage apportent alors la majeure partie de ce constituant, ce qui leur ouvre une voie nouvelle d'utilisation

The necessary scale-based representation of the world leads us to explain why the wavelet theory is the best suited formalism. Its performances are compared to other tools: R/S analysis and empirical modal decomposition method (EMD). The great diversity of analyzing bases of wavelet theory leads us to propose a morphological approach of the analysis. The study is organized into three parts. The first chapter is dedicated to the constituent elements of wavelet theory. Then we will show the surprising link existing between recurrence concept and scale analysis (Daubechies polynomials) by using Pascal's triangle. A general analytical expression of Daubechies' filter coefficients is then proposed from the polynomial roots. The second chapter is the first application domain. It involves edge plasmas of tokamak fusion reactors. We will describe how, for the first time on experimental signals, the Hurst coefficient has been measured by a wavelet-based estimator. We will detail from fbm-like processes (fractional Brownian motion), how we have established an original model perfectly reproducing fBm and fGn joint statistics that characterizes magnetized plasmas. Finally, we will point out the reasons that show the lack of link between high values of the Hurst coefficient and possible long correlations. The third chapter is dedicated to the second application domain which is relative to the backscattered echo analysis of an immersed target insonified by an ultrasonic plane wave. We will explain how a morphological approach associated to a scale analysis can extract the diameter information, La nécessaire représentation en échelle du monde nous amène à expliquer pourquoi la théorie des ondelettes en constitue le formalisme le mieux adapté. Ses performances sont comparées à d'autres outils : la méthode des étendues normalisées (R/S) et la méthode par décomposition empirique modale (EMD).La grande diversité des bases analysantes de la théorie des ondelettes nous conduit à proposer une approche à caractère morphologique de l'analyse. L'exposé est organisé en trois parties.Le premier chapitre est dédié aux éléments constitutifs de la théorie des ondelettes. Un lien surprenant est établi entre la notion de récurrence et l'analyse en échelle (polynômes de Daubechies) via le triangle de Pascal. Une expression analytique générale des coefficients des filtres de Daubechies à partir des racines des polynômes est ensuite proposée.Le deuxième chapitre constitue le premier domaine d'application. Il concerne les plasmas de bord des réacteurs de fusion de type tokamak. Nous exposons comment, pour la première fois sur des signaux expérimentaux, le coefficient de Hurst a pu être mesuré à partir d'un estimateur des moindres carrés à ondelettes. Nous détaillons ensuite, à partir de processus de type mouvement brownien fractionnaire (fBm), la manière dont nous avons établi un modèle (de synthèse) original reproduisant parfaitement la statistique mixte fBm et fGn qui caractérise un plasma de bord. Enfin, nous explicitons les raisons nous ayant amené à constater l'absence de lien existant entre des valeurs élevées du coefficient d'Hurst et de supposées longues corrélations.Le troisième chapitre est relatif au second domaine d'application. Il a été l'occasion de mettre en évidence comment le bien-fondé d'une approche morphologique couplée à une analyse en échelle nous ont permis d'extraire l'information relative à la taille, dans un écho rétrodiffusé d'une cible immergée et insonifiée par une onde ultrasonore

Les phénomènes d'interfaces jouent un rôle important dans le comportement des bains fondus en soudage, notamment dans l'apparition des défauts tels que le humping. La littérature permet d'expliquer le régime établi du phénomène de humping par un modèle d'instabilité de Rayleigh (prédominance des mécanismes de thermoconvection), mais les causes de son apparition restent encore à expliquer et une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu est nécessaire. L'étude de cette problématique complexe nécessite en premier lieu l'identification des phénomènes prépondérants dans un bain de fusion en soudage GMAW pulsé, en configuration statique. C'est l'objet de ce travail qui présente l'étude du comportement dynamique d'un bain de fusion par une approche expérimentale multi-physique. L'outil expérimental et la méthodologie développés pour appréhender ces phénomènes rapides sont présentés en premier : acquisition d'images en vidéo rapide, ombroscopie... L'analyse d'une campagne d'essais par une étude dimensionnelle permet d'illustrer l'importance relative des différents phénomènes.

Ce rapport de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de l'ébullition en microgravité. Les expériences furent réalisées en condition de gravité terrestre, en vol parabolique et en fusée-sonde. Les expériences en vol parabolique ont montré l'influence de divers paramètres sur le transfert thermique et ont mis en évidence les mécanismes contrôlant le transfert thermique. De l'écriture des équations gouvernant ces mécanismes et de l'identification des échelles caractéristiques, une corrélation permettant d'estimer le transfert de chaleur lors de l'ébullition en microgravité pour une large gamme de fluide est bâtie. L'expérience en fusée-sonde a permis d'étudier l'influence des gaz incondensables et notamment de la convection Marangoni sur le comportement de l'ébullition et sur le transfert thermique.

The purpose of the present work is to provide new insights in the understanding and computational modeling of shock-induced metal-on-metal dynamic friction. Dynamic friction refers to the physics that governs the tangential force acting across a material interface after the passage of a shock wave. It plays a key role in shock-driven systems where metal interfaces are submitted to relatively large contact pressures (FN ∼ 1−40GPa) and relative sliding velocities ([V] ∼ 100−3000m.s−1).Shock-induced frictional properties remain largely unknown although various experimental techniques have recently been developed. Severe loading conditions lead to extremely localized thermomechanical processes. These local phenomena may profoundly change the state of interface during the dynamic slip process : on a very thin sheared layer (0.1μm) important strain rates are obtained with major irreversible plastic deformation. Metal interfaces are also submitted to a warm-up phase due to frictional heat production, and plastic work. It leads to an important and localized increase in surface temperature, that may lead in extremely short time to the fully melt temperature regime and to the formation of a thin molten metal film.Although they are widely used for the numerical simulation of high speed impact problems, the current generation of hydrocodes either neglect friction or rely on simple empirical models in which the frictional stress is related to the normal stress and/or the sliding velocity through the Coulomb’slaw. Such a classical law of friction is not valid and can not be used when shear stresses are limited by yielding conditions. Under severe loading conditions, the interfacial flow stress Y is determined using a SCG (Steinberg-Cochran-Guinan) model. The constitutive model must take into account work hardening, pressure effect, thermal softening and melting. Shear stresses will thus strongly depend on the thermomechanical history at the interface. We therefore need to understand the evolution of the thermomechanical fields and their relationship to the observed slip response.On a numerical point of view, the main difficulties are related to the localization of the thermomechanical processes and to the control of thermal blow up. Accurate modeling of dynamic friction under dry sliding conditions therefore requires the use of a sub-grid model and the developpment of adequate coupling conditions between the local and the global models. This is done through a domain decomposition approach which decomposes the interface problem into a global and a local one. At the global scale, the structure’s model is a thermoelastoplastic model in large strains, where thermal conduction is neglected and where the interface is reduced to a nonlinear relation between temperature, sliding velocity and force to be predicted at local scale. Through dimensional and asymptotic analysis the local problem which accounts for frictional contact, elastoplastic yielding, thermal softening, heat conduction and dynamic effects can be reduced to a 1D finite difference subgrid model solved locally by nonlinear time implicit solvers.The coupling strategy is force based : the friction force is evaluated at the local scale by the full model and transfered to the global model which can then predict local velocity corrections. This strategy has been developed in 2 situations of increasing complexity :• a first situation where the local problem is quasistatic and thermoelastic,• a second case where the local problem is quasistatic and thermoelastoplastic,This formulation has been updated in order to be consistently coupled to an industrial hydrocode for predicting the macroscopic behavior of the full structure such as the propagation of slip induced shear waves and the global chronology of the interface slip. The coupling strategy has been implemented and tested in real life examples; La mise en glissement par choc de structures métalliques s’accompagne de mécanismes thermomécaniques complexes et fortement couplés. Localisés au voisinage de l’interface au sein d’une couche de matière d’épaisseur micrométrique, ces phénomènes affectent les surfaces de contact et par conséquent la dynamique globale du glissement. Leur sévérité, quantifiée par la puissance dissipée par frottement, dépend de deux paramètres clefs :• [V], la vitesse relative de glissement,• Fn, la pression de contact à l’interface.Dans le cadre des applications spécifiques du CEA/DAM, où les structures sont soumises à d’importantes sollicitations dynamiques, les frottements se font à la fois aux grandes vitesses de glissement ([V] ∼ 100−3000m.s−1) et dans le domaine des hautes pressions dynamiques (Fn ∼ 1−40GPa). Face à de telles sollicitations, la réponse thermomécanique observée à l’interface est essentiellement pilotée par deux mécanismes en compétition : l’adoucissement thermique et l’écrouissage mécanique de l’interface.Une modélisation correcte des contacts frottant est donc nécessaire dès lors que l’on souhaite dimensionner ou garantir les structures par le calcul. Actuellement, la prise en compte du frottement dans les codes hydrodynamiques se heurte à une problématique double :• une problématique physique, les sollicitations auxquelles sont soumis les matériaux sont telles que l’usage des lois classiques de frottement (loi de Coulomb) ne permet plus de décrire le comportement aux interfaces de contact de manière adéquate.• une problématique numérique : l’échelle des mailles d’interface (≃ 100μm) classiquement utilisées dans les codes hydrodynamiques ne permet pas de capter les mécanismes thermomécaniques réellement mis en jeu aux échelles micrométriques (≃20μm).Cette problématique double, caractéristique des problèmes de frottement sous chocs, s’explique par l’aspect multi-échelles du problème, conséquence directe de la localisation des phénomènes thermomécaniques au voisinage de l’interface. La résolution numérique de la dynamique globale des structures nécessite donc une résolution plus fine du problème à l’échelle de l’interface. Pour y parvenir, l’objectif de cette thèse consiste à mettre en oeuvre un modèle destiné à l’étude des frottements sous chocs et permettant d’identifieret de prendre en compte le fort couplage thermomécanique observé aux interfaces de glissement.La stratégie de modélisation retenue repose sur une approche originale multi-échelles. Le problème à l’interface est ainsi décomposé en un problème local et un problème global, tous deux étant reliés par des relations de couplage. Cette stratégie nous permet d’identifier et de prendre en compte les forts gradients observés aux interfaces de glissement, tout en limitant les coûts de calcul et de stockage :• à l’échelle globale, le comportement de la structure est modélisé par une loi de comportement élastoplastique permettant de traiter les grandes déformations.• à l’échelle locale, plusieurs modèles rhéologiques peuvent être employés pour traiter les mécanismes mis en jeu au voisinage de l’interface (modèle de fluide visqueux, modèle de rugosité, modèle d’interface fragilisée...). Dans le cadre de cette étude, nous avons choisit de la traiter comme un solide thermoélastoplastique, en conservant les mêmes propriétés mécaniques qu’à l’échelle globale. Par analyse dimensionnelle nous montrons également que le problème associé se ramène à un problème unidimensionnel dans l’épaisseur de la couche de diffusionthermique.En ce qui concerne l’implémentation numérique du modèle, chaque problème est discrétisé de manière indépendante. Ils sont ensuite résolus simultanément pour chaque noeud situé sur l’interface. Le problème global est résolu par le code hydrodynamique à l’aide d’un schéma explicite entemps. A l’échelle locale, le comportement thermoélastoplastique de l’interface est quant à lui résolu par un modèle de sous-mailles, à l’aide d’un schéma aux différences finies 1D, implicite en temps. Afin de tenir compte de l’architecture actuelle du code de calcul hydrodynamique, une stratégiede couplage en force a été retenue ; la contrainte réelle de frottement est déterminée à l’échelle locale par le modèle de sous-maille qui la communique ensuite au code hydrodynamique. Nous en déduisons alors une valeur corrigée de la vitesse relative de glissement intégrant les phénomènes thermomécaniques observés localement. Deux variantes de ce modèle ont ainsi été implémentées et testées sur des situations expérimentales réelles :• une première variante négligeant l’inertie locale ainsi que le comportement plastique dans le voisinage de l’interface. Ce modèle nous permet notamment d’évaluer l’histoire thermique à l’interface.• une seconde variante, également quasi-statique à l’échelle locale, qui nous permet d’avoir accès au champ de déformation plastique généré par frottement dans la sous-couche de matière jouxtant l’interface.Chacune des variantes nous permet d’avoir accès aux valeurs d’interface, ainsi qu’aux profils de température et de déformation plastique dans l’épaisseur de la couche de matière jouxtant l’interface. Enfin, elles permettent de restituer avec succès les signaux expérimentaux en utilisant seulement deux paramètres : μ0, le coefficient de frottement statique de Coulomb et f, un coefficient de frottement propre à notre modèle.

The purpose of the present work is to provide new insights in the understanding and computational modeling of shock-induced metal-on-metal dynamic friction. Dynamic friction refers to the physics that governs the tangential force acting across a material interface after the passage of a shock wave. It plays a key role in shock-driven systems where metal interfaces are submitted to relatively large contact pressures (FN ∼ 1−40GPa) and relative sliding velocities ([V] ∼ 100−3000m.s−1).Shock-induced frictional properties remain largely unknown although various experimental techniques have recently been developed. Severe loading conditions lead to extremely localized thermomechanical processes. These local phenomena may profoundly change the state of interface during the dynamic slip process : on a very thin sheared layer (0.1μm) important strain rates are obtained with major irreversible plastic deformation. Metal interfaces are also submitted to a warm-up phase due to frictional heat production, and plastic work. It leads to an important and localized increase in surface temperature, that may lead in extremely short time to the fully melt temperature regime and to the formation of a thin molten metal film.Although they are widely used for the numerical simulation of high speed impact problems, the current generation of hydrocodes either neglect friction or rely on simple empirical models in which the frictional stress is related to the normal stress and/or the sliding velocity through the Coulomb’slaw. Such a classical law of friction is not valid and can not be used when shear stresses are limited by yielding conditions. Under severe loading conditions, the interfacial flow stress Y is determined using a SCG (Steinberg-Cochran-Guinan) model. The constitutive model must take into account work hardening, pressure effect, thermal softening and melting. Shear stresses will thus strongly depend on the thermomechanical history at the interface. We therefore need to understand the evolution of the thermomechanical fields and their relationship to the observed slip response.On a numerical point of view, the main difficulties are related to the localization of the thermomechanical processes and to the control of thermal blow up. Accurate modeling of dynamic friction under dry sliding conditions therefore requires the use of a sub-grid model and the developpment of adequate coupling conditions between the local and the global models. This is done through a domain decomposition approach which decomposes the interface problem into a global and a local one. At the global scale, the structure’s model is a thermoelastoplastic model in large strains, where thermal conduction is neglected and where the interface is reduced to a nonlinear relation between temperature, sliding velocity and force to be predicted at local scale. Through dimensional and asymptotic analysis the local problem which accounts for frictional contact, elastoplastic yielding, thermal softening, heat conduction and dynamic effects can be reduced to a 1D finite difference subgrid model solved locally by nonlinear time implicit solvers.The coupling strategy is force based : the friction force is evaluated at the local scale by the full model and transfered to the global model which can then predict local velocity corrections. This strategy has been developed in 2 situations of increasing complexity :• a first situation where the local problem is quasistatic and thermoelastic,• a second case where the local problem is quasistatic and thermoelastoplastic,This formulation has been updated in order to be consistently coupled to an industrial hydrocode for predicting the macroscopic behavior of the full structure such as the propagation of slip induced shear waves and the global chronology of the interface slip. The coupling strategy has been implemented and tested in real life examples; La mise en glissement par choc de structures métalliques s’accompagne de mécanismes thermomécaniques complexes et fortement couplés. Localisés au voisinage de l’interface au sein d’une couche de matière d’épaisseur micrométrique, ces phénomènes affectent les surfaces de contact et par conséquent la dynamique globale du glissement. Leur sévérité, quantifiée par la puissance dissipée par frottement, dépend de deux paramètres clefs :• [V], la vitesse relative de glissement,• Fn, la pression de contact à l’interface.Dans le cadre des applications spécifiques du CEA/DAM, où les structures sont soumises à d’importantes sollicitations dynamiques, les frottements se font à la fois aux grandes vitesses de glissement ([V] ∼ 100−3000m.s−1) et dans le domaine des hautes pressions dynamiques (Fn ∼ 1−40GPa). Face à de telles sollicitations, la réponse thermomécanique observée à l’interface est essentiellement pilotée par deux mécanismes en compétition : l’adoucissement thermique et l’écrouissage mécanique de l’interface.Une modélisation correcte des contacts frottant est donc nécessaire dès lors que l’on souhaite dimensionner ou garantir les structures par le calcul. Actuellement, la prise en compte du frottement dans les codes hydrodynamiques se heurte à une problématique double :• une problématique physique, les sollicitations auxquelles sont soumis les matériaux sont telles que l’usage des lois classiques de frottement (loi de Coulomb) ne permet plus de décrire le comportement aux interfaces de contact de manière adéquate.• une problématique numérique : l’échelle des mailles d’interface (≃ 100μm) classiquement utilisées dans les codes hydrodynamiques ne permet pas de capter les mécanismes thermomécaniques réellement mis en jeu aux échelles micrométriques (≃20μm).Cette problématique double, caractéristique des problèmes de frottement sous chocs, s’explique par l’aspect multi-échelles du problème, conséquence directe de la localisation des phénomènes thermomécaniques au voisinage de l’interface. La résolution numérique de la dynamique globale des structures nécessite donc une résolution plus fine du problème à l’échelle de l’interface. Pour y parvenir, l’objectif de cette thèse consiste à mettre en oeuvre un modèle destiné à l’étude des frottements sous chocs et permettant d’identifieret de prendre en compte le fort couplage thermomécanique observé aux interfaces de glissement.La stratégie de modélisation retenue repose sur une approche originale multi-échelles. Le problème à l’interface est ainsi décomposé en un problème local et un problème global, tous deux étant reliés par des relations de couplage. Cette stratégie nous permet d’identifier et de prendre en compte les forts gradients observés aux interfaces de glissement, tout en limitant les coûts de calcul et de stockage :• à l’échelle globale, le comportement de la structure est modélisé par une loi de comportement élastoplastique permettant de traiter les grandes déformations.• à l’échelle locale, plusieurs modèles rhéologiques peuvent être employés pour traiter les mécanismes mis en jeu au voisinage de l’interface (modèle de fluide visqueux, modèle de rugosité, modèle d’interface fragilisée...). Dans le cadre de cette étude, nous avons choisit de la traiter comme un solide thermoélastoplastique, en conservant les mêmes propriétés mécaniques qu’à l’échelle globale. Par analyse dimensionnelle nous montrons également que le problème associé se ramène à un problème unidimensionnel dans l’épaisseur de la couche de diffusionthermique.En ce qui concerne l’implémentation numérique du modèle, chaque problème est discrétisé de manière indépendante. Ils sont ensuite résolus simultanément pour chaque noeud situé sur l’interface. Le problème global est résolu par le code hydrodynamique à l’aide d’un schéma explicite entemps. A l’échelle locale, le comportement thermoélastoplastique de l’interface est quant à lui résolu par un modèle de sous-mailles, à l’aide d’un schéma aux différences finies 1D, implicite en temps. Afin de tenir compte de l’architecture actuelle du code de calcul hydrodynamique, une stratégiede couplage en force a été retenue ; la contrainte réelle de frottement est déterminée à l’échelle locale par le modèle de sous-maille qui la communique ensuite au code hydrodynamique. Nous en déduisons alors une valeur corrigée de la vitesse relative de glissement intégrant les phénomènes thermomécaniques observés localement. Deux variantes de ce modèle ont ainsi été implémentées et testées sur des situations expérimentales réelles :• une première variante négligeant l’inertie locale ainsi que le comportement plastique dans le voisinage de l’interface. Ce modèle nous permet notamment d’évaluer l’histoire thermique à l’interface.• une seconde variante, également quasi-statique à l’échelle locale, qui nous permet d’avoir accès au champ de déformation plastique généré par frottement dans la sous-couche de matière jouxtant l’interface.Chacune des variantes nous permet d’avoir accès aux valeurs d’interface, ainsi qu’aux profils de température et de déformation plastique dans l’épaisseur de la couche de matière jouxtant l’interface. Enfin, elles permettent de restituer avec succès les signaux expérimentaux en utilisant seulement deux paramètres : μ0, le coefficient de frottement statique de Coulomb et f, un coefficient de frottement propre à notre modèle.

Throughout the different sciences, there are recurrent phenomena, such as Poisson distributions, which seem to have similar explanations. These phenomena can be described by transversal regularities which are not laws but nevertheless do not seem spurious. One may wonder if these phenomena really have something in common and if these similarities are not artificial by-products originating in abstraction procedures that are extraneous to scientific activity. In this paper, I emphasize that this is not the case. I show that the procedure that unveil the similarities, namely nondimensionalization, is used by scientists themselves to create more intrinsic and more explanatory representations. This raises the question of the status of the corresponding regularities. I argue that reducing them to mere analogies is not satisfactory.; Je pars dans cet article du constat qu'il existe dans des sciences différentes des phénomènes récurrents qui possèdent des explications similaires, à tel point que ces phénomènes peuvent être décrits par des régularités transversales qui semblent de bon aloi même si elles ne sont pas des lois. On peut néanmoins se demander si le rapprochement entre des phénomènes aussi divers n'est pas le produit de procédures d'abstraction artificielles. Je montre qu'il n'en est rien en expliquant comment la procédure qui permet d'opérer ce rapprochement, à savoir l'adimensionnement des équations, est avant tout motivé par la recherche de représentations plus intrinsèques et d'explications de meilleure qualité. Les régularités étudiées semblent donc authentiques et j'indique pourquoi la solution consistant à les réduire à de simples analogies n'est pas très satisfaisante.

Le vent est à l'origine d'une excitation mécanique chronique des arbres. Malgré tout, ils se développent continûment, par la croissance et la ramification. Il en résulte une grande variété de géométries, fonctions à la fois de l'espèce, et du milieu dans lequel l'arbre s'est développé. Tout au long de son existence, les caractéristiques dynamiques de l'arbre sont l'élément déterminant de son interaction avec le vent. Ainsi, cette thèse porte sur l'évolution et l'organisation spatiale de la dynamique des arbres au cours de leur développement. Une expérience de suivi des caractéristiques dynamiques de plantes, pendant leur développement, associée à un modèle mécanique de leurs oscillations en flexion, met en évidence le rôle de leurs croissances primaires et secondaires sur l'évolution temporelle de leurs fréquences naturelles. Une description générique de la géométrie de l'arbre, basée sur l'architecture et la biométrie, suivie d'une analyse dimensionnelle de sa dynamique vibratoire, permet de dériver une loi d'échelle décrivant l'organisation spatiale de ses caractéristiques dynamiques. Cette loi d'échelle est validée sur plusieurs cas d'arbres dont les caractéristiques dynamiques ont été déterminées expérimentalement ou numériquement. Une analyse dimensionnelle de l'interaction dynamique entre le vent et l'arbre permet de dériver des lois d'échelle décrivant la réponse multimodale de l'arbre au vent, et donc la répartition dans l'ensemble de l'arbre de sa réponse. Le rôle de la géométrie de l'arbre, et donc de son développement continu par la croissance et la ramification de ces axes, sur son interaction dynamique avec le vent, est ainsi quantitativement mis en évidence.

National audience; Nous mettons en lumière les ressorts théoriques de l'opposition qui existe en psychiatrie, concernant l'avenir des classifications nosologiques, entre partisans d'une approche catégorielle et partisans d'une approche dimensionnelle de la pathologie mentale. Nous cherchons à montrer que la rigidité de cette opposition est en partie due à l'affrontement de deux positions théoriques que nous renvoyons dos à dos : un réalisme des maladies mentales d'un côté, un réalisme ou essentialisme des traits psychologiques de l'autre côté.

Certains traitements thermiques génèrent sur les pièces mécaniques des déformations, locales ou globales, plus ou moins importantes selon le traitement et la nuance d'acier utilisés. Des opérations de finition, souvent coûteuses, sont alors nécessaires pour respecter les tolérances fonctionnelles spécifiées. Afin d'optimiser la nuance et le traitement, et d’ajuster les modèles de simulation, les variations géométriques de pièces « test » traitées thermiquement sont qualifiées et quantifiées par une analyse dimensionnelle. Les travaux présentés se centrent sur les stratégies de mesure et de dépouillement. Nous évoquons aussi l’identification de déformations issues de trempe d’essais sur deux nuances d’aciers étudiées. ABSTRACT. Some heat treatment generates on workpieces, local or global distortions which are more or less significant according to the treatment and the steel grade. Finishing operations are then necessary to respect the required functional tolerances. This may increase the cost of the product. In the objective to optimize both the steel grade and the heat treatment and to adjust the numerical simulation models, the geometrical variations of heat treated “test” parts are qualified and quantified by a dimensional analysis. In this article, we focus on part measurement and data processing strategies. We also evoke the identification of the distortions resulting from testing quenching on two studied steel grades.

Over the last few years, some studies showed that the acoustic energy density in closed or semi-closed spaces may be the solution of a diffusion equation. This theory allows non-uniform repartition of energy, and is especially relevant in room acoustics for long rooms or complex spaces such as networks of rooms. In this work, the three-dimensional diffusion equation is solved directly by using a finite-element solver. This approach is used to simulate the acoustics of coupled rooms in terms of spatial variations of intensity levels and sound decay. The obtained results match satifactorily with a model based on the classical statistical theory of room acoustics, but it allows to perform a finer spatial description of the acoustics of coupled rooms.

Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

Not available, Les travaux effectués concernent l'étude des phénomènes de rupture et de foudroyage des bancs du toit d'une couche minérale exploitée par longue taille, par une méthode de modélisation physique en matériaux équivalents. Celle-ci est non seulement intéressante par son aspect visuel et direct, mais permet également une étude quantitative par l'introduction des conditions de similitude. Apres étude des conditions de similitude et analyse dimensionnelle, deux séries de matériaux équivalents sont mis en œuvre. Ces matériaux, avec lesquels de nombreuses maquettes ont été réalisées, sont bien adaptés à la modélisation des roches. Les essais nous permettent d'observer différents phénomènes de formations, de rupture et de foudroyage du toit et d'identifier les fissures et leurs propagations dans les bancs du toit. A la suite des mesures et des observations pendant les essais, des modèles mécaniques (poutres à trois articulations) sont établis, qui expliquent l'état d'équilibre des bancs et les phénomènes observés en tenant compte de leur comportement post-rupture. Cela permet de mieux analyser et comprendre le mécanisme de rupture et de foudroyage. En complément, la réalisation d'un film vidéo et son scenario ont été décrits en détail. Le film explique la méthode utilisée et présente les essais effectués illustrant les phénomènes de rupture et de foudroyage.

Not available, Les travaux effectués concernent l'étude des phénomènes de rupture et de foudroyage des bancs du toit d'une couche minérale exploitée par longue taille, par une méthode de modélisation physique en matériaux équivalents. Celle-ci est non seulement intéressante par son aspect visuel et direct, mais permet également une étude quantitative par l'introduction des conditions de similitude. Apres étude des conditions de similitude et analyse dimensionnelle, deux séries de matériaux équivalents sont mis en œuvre. Ces matériaux, avec lesquels de nombreuses maquettes ont été réalisées, sont bien adaptés à la modélisation des roches. Les essais nous permettent d'observer différents phénomènes de formations, de rupture et de foudroyage du toit et d'identifier les fissures et leurs propagations dans les bancs du toit. A la suite des mesures et des observations pendant les essais, des modèles mécaniques (poutres à trois articulations) sont établis, qui expliquent l'état d'équilibre des bancs et les phénomènes observés en tenant compte de leur comportement post-rupture. Cela permet de mieux analyser et comprendre le mécanisme de rupture et de foudroyage. En complément, la réalisation d'un film vidéo et son scenario ont été décrits en détail. Le film explique la méthode utilisée et présente les essais effectués illustrant les phénomènes de rupture et de foudroyage.

La modélisation de systèmes hétérogènes conservatifs multi-domaines (électrique, mécanique, fluidique, etc.) requiert un moyen de vérifier que les quantités manipulées par les modèles aient des unités cohérentes. Nous présentons ici les fondations pour le support de l'analyse dimensionnelle statique (effectuée à la compilation) de modèles développés à l'aide des extensions AMS (Analogue and Mixed-Signal) de SystemC. L'approche présentée dans ce papier sera incorporée dans un nouveau modèle de calcul Bond Graph qui complétera les modèles de calcul déjà prévus dans les extensions AMS de SystemC.