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This thesis is part of the industrial context of rapid development of electric vehicles, which includes the growing demand for more powerful and compact battery packs. These packs are generally made with lithium-ion battery cells and require a Battery Thermal Management System (BTMS) for an efficient cooling and to limit the thermal runaway hazard. Thermal runaway occurs when a cell is damaged, defective or when its temperature reaches a threshold value.In this case, the cell heats up spontaneously and its temperature rises rapidly, which can cause the expulsion of flammable gases, a chain reaction throughout the pack and ultimately a fire or explosion.The thermal management solution chosen in this thesis is the direct cooling of the immersed pack by a dielectric liquid circulating between the cells. The HFE-7100 has been selected as a working fluid for its eco-friendly coolant properties, its non-flammability, its attractive thermophysical properties, and especially for its boiling temperature at atmospheric pressure, which is very close to the estimated skin temperature at the beginning of a thermal runaway. The liquid can change phase to maintain the temperature in order to avoid thermal runaway, and to evacuate the heat in accidental situations.One scientific bottleneck for such a pack design, given the small spacing between cells or between cells and the pack casing, is the flow boiling in a vertical mini-channel. Confined boiling flow is a very efficient mode of heat transfer to dissipate high fluxes. The question to be addressed is whether such a flow can help in the hypothetical case of a thermal runaway.In this thesis, an experimental and a numerical approach are jointly conducted to study the cooling solution and the flow boiling.In a first step, the state of the art of Battery Thermal Management System and flow boiling in a mini-channel is presented. A general description of flow boiling and numerical simulation approaches of two-phase flows are proposed.In a second step, a test campaign is conducted with an experimental device to study the flow boiling of HFE-7100 in a vertical mini channel. The local heat transfer coefficient is obtained by using an inverse method. Heat transfer, critical heat flux (CHF), flow regimes and pressure drops are the main parameters studied. The influence of different parameters such as mass flow rate, subcooling, pressure and surface structuring is analyzed.In a third step, a numerical modeling approach is proposed. The simulation of the two-phase flow of HFE-7100 in the mini-channel of the test section is proposed with an Eulerian approach. The numerical models are validated from the experimental data. Finally, a battery module immersed by HFE-7100 is modeled, and a thermal runaway scenario of a cell is suggested and simulated. Calculations show that the cooling system is an effective and promising solution to dissipate heat and prevent thermal runaway propagation.; Cette thèse s’inscrit dans le contexte industriel de fort développement des véhicules électriques qui contiennent des packs de batteries de plus en plus puissants et compacts. Ces packs sont généralement constitués de cellules de batteries lithium-ion qui nécessitent un système de gestion thermique. En effet, un des risques majeurs est l’emballement thermique d’une ou plusieurs de ces cellules, emballement qui se produit lorsqu'une cellule est endommagée ou défectueuse ou lorsqu’elle dépasse une certaine température. Dans ce cas, la cellule s’échauffe spontanément et sa température croît rapidement ce qui peut provoquer l’expulsion de gaz inflammables, une réaction en chaine dans tout le pack et in fine un incendie ou une explosion.La solution de gestion thermique retenue dans le cadre de la thèse est le refroidissement direct du pack immergé par un liquide diélectrique circulant entre les cellules. Le HFE-7100 a été choisi comme fluide de travail pour son faible impact écologique, son ininflammabilité, ses propriétés thermophysiques et surtout pour sa température d'ébullition à la pression atmosphérique très proche de la température de peau estimée au début d'un emballement thermique. Le liquide doit changer de phase pour maintenir la température afin d’éviter l’emballement thermique, et évacuer la chaleur en situation accidentelle.L’agencement des cellules dans le pack et leur faible espacement induisent un problème scientifique d’ébullition convective en mini-canal vertical. L'ébullition convective en milieu confiné est un mode de transfert de chaleur très efficace pour dissiper les flux élevés. Une question qui se pose est de connaitre l’efficacité d’un tel écoulement dans le cas hypothétique d'un emballement thermique.Dans cette thèse, une approche expérimentale et une approche numérique sont conjointement menées pour étudier la solution de refroidissement et l'ébullition convective.Dans un premier temps, l’état de l’art de la gestion thermique des packs de batterie des véhicules électriques et de l’ébullition convective en milieu confiné est exposé. Une description générale de l’ébullition convective et des approches de simulation numérique des écoulements diphasiques applicables à notre étude est proposée.Dans un deuxième temps, une campagne d’essais est menée sur un dispositif expérimental pour étudier l’ébullition convective du HFE-7100 dans un mini-canal vertical. La mise en place d’une méthode inverse a permis de calculer le coefficient d’échange local. Le transfert de chaleur, le flux critique (CHF), les régimes d’écoulements et les pertes de charge sont les principaux paramètres étudiés. L’influence de différents paramètres tels que le débit, le sous-refroidissement, la pression et la structuration de la surface est analysée.Dans un troisième temps, une approche de modélisation numérique est proposée. La simulation de l’écoulement diphasique du HFE-7100 dans le mini-canal de la section d’essais est proposée avec une approche eulérienne. Les modèles numériques sont validés à partir des données expérimentales.Enfin, un module de batteries immergé dans du HFE-7100 est modélisé et un scénario d’emballement thermique d’une cellule est défini et simulé. Le système de refroidissement s'avère être une solution efficace et prometteuse pour évacuer la chaleur et empêcher la propagation l'emballement thermique.

Depuis de nombreuses années, l'Onera développe une méthode de caractérisation des flux de chaleur instationnaires pour des configurations où la surface impactée n'est pas directement accessible à la mesure. Cette méthodologie s'appuie sur une méthode inverse de conduction de la chaleur qui combine un modèle thermique de la paroi et une équation d'observation constituée de mesures de température. Les premiers développements ont été réalisés dans le cadre de la thèse de D. Nortershauser (2000) pour une paroi plane rectangulaire. Ces développements ont conduit à la création d'un code de calcul dédié nommé THIDES (THermal Inverse DESign). Ce code intègre un solveur direct de l'équation de la chaleur sur un maillage cartésien régulier. La méthode inverse de conduction de la chaleur, est basée sur la méthode séquentielle de Beck avec utilisation de pas de temps futurs. Le code THIDES est dédié au post-traitement de mesures de températures surfaciques instationnaires par thermographie infrarouge sur la face non impactée d'une paroi. La méthode de résolution utilise la décomposition par transformée en cosinus discrète (DCT) pour réduire le nombre d'inconnues à identifier. Plus récemment, l'application de cette méthode à des parois de géométrie plus complexe et/ou à des mesures ponctuelles a été étudiée. L'algorithme de méthode inverse de THIDES a été interfacé avec un solveur externe utilisant des maillages non structurés. Le principal défaut est le temps de calcul qui peut devenir rapidement prohibitif à cause des multiples appels au solveur externe. C'est pourquoi l'algorithme de la méthode inverse a été intégré dans le solveur direct MoDeTheC initialement développé dans le cadre de la thèse de V. Biasi (2014). Compte tenu de la forme quelconque de la paroi, le maillage de la surface sur laquelle est appliquée le flux inconnu n'est pas cartésien donc l'utilisation de la DCT n'est plus possible. Dans cette configuration, deux options de calcul sont proposées. La première consiste à définir le flux de chaleur recherché comme la combinaison d'une base de fonctions spatiales (modes) définies par l'utilisateur. Cette méthode est donc une généralisation de THIDES à une paroi de forme quelconque. La deuxième option de calcul consiste à définir le flux de chaleur sur chaque maille de la surface impactée mais il est alors nécessaire d'ajouter un terme de régularisation basé sur la norme du Laplacien du flux de chaleur. Un cas de validation a été créé : configuration de plaque plane rectangulaire. Les températures mesurées sont générées par un calcul direct très résolu en temps, en imposant un flux de répartition gaussienne sur la face avant. Ce cas de calcul a permis de vérifier la résolution par MoDeTheC, par comparaison à THIDES. La méthode est ensuite appliquée pour traiter des essais réalisés sur géométries complexes dans le banc BLADE utilisant un chauffage par flux laser bien maîtrisé. Ces essais concernent un disque percé ainsi que des plaques planes carrées avec différentes formes de raidisseur qui masquent une partie de la face arrière sur laquelle est effectuée la mesure par thermographie infrarouge.

Les caloducs oscillants, en tant que systèmes de refroidissement diphasique passifs, trouvent leur attrait dans leur simplicité d'élaboration, leur coût relativement faible et leur facilité d'intégration pour des performances équivalentes aux systèmes diphasiques classiques (caloducs…). De ce fait, les secteurs du transport, aériens ou terrestres, s'intéressent particulièrement à cette solution. Le dispositif étudié ici s'inscrit dans le développement des mobilités électrifiées, en proposant une solution de refroidissement des organes de la chaine de traction électrique. La problématique majeure liée au caloduc oscillant est, par son comportement stochastique, son dimensionnement et la prédiction de ces performances par la modélisation numérique. Ainsi les travaux présentés sont le fruit d'une analyse qui fait suite à des mesures expérimentales par thermographie infrarouge. Le caloduc oscillant testé ici est composé d'une plaque de cuivre de forme parallélépipédique d'épaisseur très faible au regard des deux autres dimensions. 90\% de sa surface est chauffée uniformément à puissance constante, tandis que les 10\% restant font office de source froide. Un canal unique en forme de serpentin est présent au cœur de la plaque, à l'intérieur duquel circule librement un fluide de travail à l'état de saturation sous forme de bouchons liquides / bulles de vapeur. Le mouvement est rendu possible grâce aux forces de pression provoquées par les croissances/diminutions des bulles de vapeur dans les zones évaporateur/condenseur. Les résultats expérimentaux ont montré une nette amélioration des performances avec la présence de fluide dans le serpentin. En effet, pour une puissance de 45 W appliquée à l'évaporateur, la température moyenne de la zone chauffée passe de 60$^{\circ}$C, sans fluide de travail, à 40$^{\circ}$C lorsque le fluide est présent. Par thermographie infrarouge, par identification du profil de température le long du caloduc, une approche par méthode inverse permet de remonter au profil de conductivité thermique équivalente le long du dispositif (la conductivité équivalente est souvent utilisée pour quantifier les performances accrues de systèmes diphasiques comparativement à de la conduction pure). Plusieurs particularités sont à commenter sur le profil obtenu. Premièrement : elle dépend de la hauteur du caloduc et sa valeur est toujours supérieure ou égale à la conductivité thermique du cuivre, témoignant de l'amélioration des performances thermiques en comparaison du système vide (sans fluide de travail). Deuxièmement : la présence systématique d'un pic, localisée à environ 40\% de la hauteur du caloduc (en partant de la zone froide), a été identifiée. Enfin, les résultats montrent qu'il existe un profil de conductivité thermique unique qui ne dépend pas de la puissance appliquée à l'évaporateur. Ce qui semble indiquer que le régime des oscillations est stable sur la plage de fonctionnement du caloduc oscillant. Pour finir, le profil de conductivité thermique final est injecté dans un modèle utilisant la méthode des éléments finis, permettant d'ajuster la conductivité thermique du caloduc suivant sa hauteur. Les résultats de simulation reproduisent ainsi les conditions expérimentales, et sont comparés aux thermogrammes infrarouges, révélant une erreur relative de 3,8\% sur la température moyenne pour le cas à 45 W.

Il est du devoir de l'humanité de conserver les vestiges de son Histoire pour les générations futures. Parmi eux, la grotte de Lascaux, présentant des peintures datant de 20 000 ans, subit les assauts du temps et requiert l'aide humaine. Même si elle est restée dans le même état que lors de sa découverte, nous devons comprendre les mécanismes déclencheurs des altérations des parois, principalement les cycles condensation-évaporation. Ces phénomènes résultent indirectement des variations saisonnières de la température extérieure. L'énergie provenant de la surface se propage ainsi par conduction thermique dans la roche jusqu'à la grotte. De par la nature hétérogène d'un milieu karstique, une modélisation thermique du massif reposant sur des propriétés homogènes aboutit à des imprécisions trop importantes pour une étude rigoureuse de la condensation. C'est dans ce contexte qu'une caractérisation du massif rocheux entourant la grotte a été conduite, afin d'être en mesure de modéliser plus finement la propagation de la chaleur. La première étape fut de diviser numériquement le massif en plusieurs zones dont les propriétés thermiques pouvaient être supposées homogènes. Pour ce faire, des campagnes de mesures de résistivité électrique dans la roche furent menées. Une classification a ensuite été effectuée à partir de ces données, permettant ainsi de regrouper les zones de résistivités proches entre elles. Le lien existant entre les conductivités électriques et thermiques pour les roches nous permet de faire l'hypothèse que les zones regroupées selon la résistivité électrique représentent la réalité thermique du massif. Sept zones, supposées présenter des propriétés thermiques homogènes, partitionnent fictivement l'environnement de la grotte. Les sept diffusivités thermiques inconnues doivent être déterminées à partir des mesures de température dans la roche, effectuées en plusieurs points à l'intérieur de la grotte depuis des dizaines d'années. Il est important de noter que la faible vitesse de propagation des ondes thermiques dans la roche induit des déphasages de l'ordre du semestre voire de l'année dans les parties profondes de la grotte (20 mètres). De plus, l'amortissement des ondes conduit à des variations thermiques de l'ordre de quelques dixièmes de degrés dans la cavité. Il s'agit donc de résoudre un problème d'optimisation, qui décrit une physique dont le temps caractéristique est de plusieurs années, en se basant sur des données variant faiblement. Cette résolution est effectuée à l'aide de méthodes inverses. La méthode de Nelder-Mead s'est révélée être la plus robuste et la plus rapide pour résoudre ce problème mathématique. Une étude préliminaire visant à minimiser l'écart entre les températures modélisées et expérimentales n'a pas mené à une solution physique à cause de la nature du problème. Cependant, un raisonnement basé sur l'amortissement et le déphasage de l'onde a permis de déterminer des diffusivités thermiques, mathématiquement et physiquement acceptables.

L'un des objectifs principaux du tokamak WEST est de tester et qualifier les technologies prévues pour le projet ITER. Dans cette optique, afin d'éprouver la tenue en température de certains composants face au plasma, ceux-ci ont été instrumentés avec des thermocouples ($T_C$) ainsi que des fibres à réseaux de Bragg (FBG) enfouis à 5mm sous leur surface. Ces capteurs permettent de suivre l'échauffement des composants et d'estimer les flux de chaleurs déposés à leur surface par méthode inverse. Les fibres sont insérées dans une gorge et fixées à l'aide de colles résistantes aux hautes températures. Des $T_C$ sont ajoutés au montage afin de vérifier les résultats donnés par la fibre et de synchroniser l'acquisition des mesures. Ces deux $T_C$ sont également inséré dans la gorge et maintenus par la colle et donc soumis aux mêmes conditions que la fibre. Durant la dernière campagne expérimentale sur le tokamak WEST , il est apparu que ces colles avaient un impact significatif sur le temps de réponse des mesures de températures. Afin de préparer la future campagne, un composant équipé d'une fibre à réseaux de Bragg retenue par différentes colles est installé dans la station du CEA Cadarache permettant d'imposer des flux de chaleurs du niveau de puissance rencontré dans un tokamak (jusqu'à 20MW/m² pour ITER). Ces tests ont pour objectif d'évaluer le temps de réponse des mesures de température par $T_C$ et FBG, qui est fortement dépendant de la nature de la colle utilisée. La FBG utilisée dans ce montage est une fibre femto-seconde, qualifiée jusqu'à 1200$^{\circ}$C et dont l'acquisition de 11 points de mesures sur sa longueur, se fait à une fréquence de 10 Hz via un interrogateur. Ces tests permettent de valider le modèle thermique du composant qui est utilisé pour l'inversion des mesures. Finalement les performances de l'algorithme d'inversion seront évaluées sur des mesures avant leur utilisation lors de la future campagne expérimentale du tokamak WEST. Durant cette campagne de test, près de 250 chocs d'une durée moyenne de 10s seront étudiés. Parmi ceux-ci, 4 seront plus courts (4.5s) et espacés de 20s, permettront d'évaluer le temps de réponse des mesures à chaque réseau de la fibre. Ces tirs seront réalisés à 1MW/m² et seront reproduis dans la suite du protocole. 30 chocs de 10s seront dédiés à la validation du modèle thermique avec des puissances déposées allant de 1 à 20 MW/m², entrecoupés de tests de temps de réponse (1MW/m² - 4.5s) afin d'évaluer l'usure due à l'échauffement. 1 choc avec une évolution temporelle particulière et des puissances allant de 1 à 4 MW/m² permettra d'évaluer les performances des méthodes inverses. Finalement, plus de 200 tirs seront réalisés pour évaluer la tenue au cyclage du montage des fibres et des composants. On aura ainsi reproduit les différentes conditions auxquelles sera soumis le composant. On validera également la qualité des colles pour l'analyse thermique en caractérisant leur impact sur les mesures (temps de réponse) ainsi que leur tenue en température dans le temps.

Dans le cadre de l'identification de la viscosité en ligne, où le débit de l'écoulement est imposé par les paramètres de processus, des études récentes ont proposé différentes approches pour obtenir plus d'informations sur la rhéologie du fluide sans modifier les conditions de production. Une des démarches est d'utiliser la dissipation visqueuse et la convection. La dissipation visqueuse est provoquée par le cisaillement au sein de l'écoulement. La convection entre l'écoulement et une surface de paroi est aussi corrélée au profil de vitesse de l'écoulement, qui dépend de la courbe de viscosité du fluide. Différente de la méthode conventionnelle qui utilise des capteurs de pression pour identifier une viscosité apparente à la paroi d'un écoulement pour un débit donné, la démarche thermique apporte plus d'informations sur une certaine profondeur de l'écoulement par rapport à la paroi. Les premiers travaux réalisés ont permis de mettre au point une cellule de mesure thermo-rhéologique à mettre en ligne dans un procédé de mise en œuvre de type extrusion ou injection des matériaux polymères. Imposant un écoulement annulaire dans ce dispositif instrumenté, nous montrons qu'à partir des mesures de température à l'axe central du conduit, la variation de la température due à la dissipation visqueuse à un débit constant permet d'indiquer un point critique sur la courbe de viscosité du fluide. De plus, l'échange par convection entre l'écoulement de polymère et l'axe central est sensible à l'indice de pseudo-plasticité du polymère, décrit par une loi de puissance. La loi de puissance en échelle logarithmique est en effet une droite ayant une pente constante définie par l'indice de pseudo-plasticité. Cependant, les polymères ont un comportement pseudo-plastique à taux de cisaillement élevé et un comportement Newtonien à faible taux de cisaillement, c'est-à-dire que la pente de la courbe de viscosité en échelle logarithmique varie et tend vers zéro quand le taux de cisaillement tend vers zéro. Dans ce papier, des simulations numériques de l'écoulement annulaire d'un polypropylène sont réalisées. Le comportement rhéologique du polymère est modélisé par une loi de Cross. Des identifications virtuelles à partir des « mesures » simulées sont également effectuées. Les points critiques identifiés à différents débits se retrouvent sur la loi de Cross à différents taux de cisaillement. Les indices de pseudo-plasticité identifiés à différents débits sont en effet corrélés à la pente de la courbe de viscosité, aux points critiques obtenus aux mêmes débits. Le résultat de cette étude montre qu'il est possible d'utiliser la démarche thermique pour identifier une zone de fonctionnement (liée à un débit donné) sur une courbe de viscosité complexe, et de décrire cette zone par une loi de puissance locale (point critique + pente), pour l'identification de la viscosité en ligne de production des polymères.

La maîtrise de la qualité des produits industriels nécessite de connaitre de façon très fine le comportement des matériaux durant les différentes phases de fabrication. Ainsi, la modélisation précise des transferts thermiques durant les procédés de fabrication est indispensable. Cependant, cette modélisation exige une connaissance et une caractérisation fidèle des propriétés thermophysiques des matériaux telles que la conductivité thermique, la chaleur spécifique et le volume spécifique, durant les étapes de production et les transformations subies par le matériau. Actuellement, ces propriétés sont bien identifiées à l'état solide mais leurs mesures à l'état liquide (pour les polymères thermoplastiques) et en cours de transformation sont moins voire pas maîtrisées. L'objectif principal de cette communication est de contribuer à une compréhension claire de l'influence des conditions physiques et thermiques de mise en œuvre de polymères et composites thermoplastiques sur l'évolution de leurs propriétés thermophysiques. Ces transformations correspondent principalement à la cristallisation, à la fusion de la partie cristalline et à la transition vitreuse de la partie amorphe. La procédure retenue consiste à identifier les propriétés thermophysiques inconnues, sans leur imposer un modèle de variation, en s'appuyant sur des mesures expérimentales. Une étude de sensibilité est réalisée pour vérifier la faisabilité de l'identification simultanée des paramètres ainsi que pour identifier les conditions optimales de cette estimation. Cette étude contribuera à la réalisation d'un banc expérimental au niveau duquel des capteurs (thermocouples, capteur de flux de chaleur) seront implémentés pour mesurer la réponse thermique des matériaux subissant des transformations dans des conditions industrielles réalistes. Le principe de la méthode inverse consiste à minimiser l'écart entre les mesures expérimentales et les résultats numériques obtenus à partir d'un modèle développé en différences finies. Un algorithme d'optimisation hybride combinant une méthode stochastique avec une méthode déterministe est adopté pour identifier les propriétés inconnues. Les variations de température et de flux de chaleur captées durant le changement de phase du matériel sont implémentées dans l'algorithme d'identification pour estimer les paramètres thermiques. Les résultats obtenus permettent ainsi de décrire la variation des propriétés thermophysiques en fonction de deux champs : la température T et la cristallinité relative $\alpha$. Le thermoplastique sélectionné dans le cadre de ce travail est un polymère biosourcé et biodégradable qui est l'acide polylactique (PLA). Afin d'appliquer la méthode inverse développée sur ce polymère, une étude calorimétrique de sa cristallisation a été réalisée afin de déterminer sa cinétique de cristallisation, la morphologie de ses cristaux et sa stabilité thermique.

This paper presents the aerodynamic performance analysis of realistic large passenger aircraft equipped with a Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) system. To this purpose, the design of two HLFC aircraft geometries is first outlined, both designed by DLR based on an Airbus HLFC variant of the XRF-1 geometry. Numerical simulations were performed with the TAU RANS solver of DLR, using an extension of its LST-based automatic transition prediction capability for cases with boundary layer suction. Aerodynamic performance assessment was then performed using the ONERA ffd72 far-field drag analysis software, allowing comparisons between configurations in terms of phenomenological drag components. The overall assessment of the different configurations considers both the laminarization benefit using HLFC technology compared to a fully turbulent reference aircraft and the performance penalty when the HLFC wing is operated under fully turbulent conditions. Results of the analysis are consistent with the geometry modifications and the flow physics, highlighting an overall HLFC benefit via the reduction of friction and viscous pressure drag components. A wave drag penalty, inherent to the laminarization of the outer wing upper surface, is identified in the original HLFC geometry designed by DLR and reduced in its further improved version., Ce papier présente l'analyse de la performance aérodynamique des avions civils réalistes équipés avec un système de contrôle d'écoulement laminaire hybride (HLFC). Dans ce but, la conception de deux géométries d'avion HLFC est tout d'abord décrite, les deux étant conçues par le DLR en basant sur un variant HLFC de la géométrie XRF-1 par Airbus. Des simulations numériques ont été effectuées avec le solveur RANS TAU du DLR, en utilisant une extension de sa capacité de prédiction automatique de transition basée sur LST pour des cas avec aspiration de la couche limite. L'évaluation de la performance aérodynamique a ensuite été effectuée en utilisant le logiciel ffd72 d'analyse champ-lointain de la traînée de l'ONERA, permettant des comparaisons entre les configurations en termes de composantes phénoménologiques de la traînée. L'évaluation globale des différentes configurations considère à la fois les gains de laminarité introduits par la technologie HLFC par rapport à un avion de référence pleinement turbulent et la dégradation de la performance quand la voilure HLFC est opérée dans des conditions pleinement turbulentes. Les résultats de l'analyse sont consistants par rapport aux modifications de la géométrie et la physique de l'écoulement, soulignant un gain HLFC global via la réduction des composantes de frottement et de pression visqueuse de la traînée. Une augmentation de la traînée de chocs, inhérente à la laminarisation de l'extrados de la partie externe de la voilure, est également identifiée dans le cas de la géométrie HLFC originale conçue par le DLR et réduite dans sa version améliorée.

Cette étude s'inscrit dans le contexte industriel de fort développement des véhicules électriques, qui contiennent des packs batteries de plus en plus puissants et compacts. Ces packs sont généralement constitués de cellules de batteries lithium-ion, qui nécessitent un système de contrôle thermique pour un refroidissement efficace et sûr, afin de limiter l'emballement thermique. Cet emballement se produit lorsqu'une cellule est endommagée, défectueuse ou lorsque sa température atteint une valeur critique. Parmi une variété de solutions, le refroidissement direct du pack immergé dans un liquide diélectrique circulant entre les cellules, est étudié afin d'éviter la propagation de l'emballement thermique. L'implication scientifique à la conception d'un tel pack, étant donné le faible espacement entre les cellules, est un problème d'ébullition convective en mini-canal vertical. La question qui se pose est de savoir si un tel écoulement peut aider dans le cas hypothétique d'un emballement thermique, pour lequel, par exemple, une seule cellule 18650 libère une énergie de l'ordre de 35 à 75kJ. L'ébullition confinée est un mode de transfert thermique très efficace pour dissiper des flux de chaleur élevés. Afin de bien comprendre l'ébullition convective en mini-canal, le coefficient de transfert de chaleur local doit être quantifié avec précision. Une étude expérimentale est menée pour décrire et quantifier le phénomène d'ébullition. Le dispositif expérimental permet de faire bouillir du HFE7100 dans un mini-canal vertical et rectangulaire de 1 mm de profondeur, 3 mm de largeur et 120 mm de longueur. L'expérience vise principalement à déterminer le coefficient de transfert de chaleur, identifier les régimes d'écoulement et à caractériser le phénomène d'assèchement. Plusieurs régimes d'écoulement sont couverts, de l'ébullition sous-refroidie à l'assèchement. Deux méthodes d'estimation du coefficient de transfert de chaleur sont proposées et comparées. Une méthode utilisée est la modélisation et la résolution d'un problème inverse 2D de conduction. L'approche comprend la méthode des différences finies pour la modélisation et une méthode de Tikhonov pour la régularisation. Expérimentalement, différents modèles d'écoulement sont visualisés et identifiés. L'impact du débit massique sur l'apparition de l'assèchement est observé et mesuré.

L'objectif de ces travaux est d'apporter une méthodologie et des pistes de réflexion en vue de la conception d'appareils de cuisson par contact direct plus performants en termes de consommation d'énergie et de qualité. Une cuisson non maitrisée ou l'utilisation de matériel non-approprié peut conduire à la formation de composés toxiques ou à la transmission par migration de particules vers l'aliment. En effet, ce type de cuisson, bien que très répandu est encore relativement peu étudié d'un point de vue scientifique pour des appareils domestiques. La démarche mise en œuvre est dans un premier temps décrit. Pour évaluer le flux de chaleur transmis lors du contact et suivre les cinétiques de cuisson une expérimentation pilote bien instrumentée a été réalisée afin de suivre des cinétiques de cuisson dans différentes conditions. Afin de bien appréhender les transferts par conduction directe un prototype de flux mètre a été développé. Le but des travaux est d'estimer le flux de chaleur transféré d'une plaque métallique chaude vers un produit alimentaire « froid » déposé sur celle-ci. L'évolution du flux est obtenue par le biais des techniques inverses et l'exploitation de mesures de températures au sein de la plaque chauffante. Le produit alimentaire est mis rapidement en contact, moins d'une seconde et donc, le flux thermique présente de grandes variations. Dans le cadre de cette communication des essais de cuisson d'un produit relativement complexe sont présentés. Il s'agit d'un produit céréalier à pate jaune qui subit différentes transformations couplées à des transferts de chaleur et de masse lors de la cuisson. Les cinétiques de cuisson sont obtenues par le biais de capteurs de température, une mesure en temps réel de la perte de masse et un suivi de la déformation. La confrontation de simulations numériques par un modèle multi-physiques aux cinétiques mesurés montre la pertinence de ces travaux.

Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale réalisée dans le cadre d'un projet de recherche interne ONERA et traitant de l'analyse d'un écoulement liquide dans un canal de section rectangulaire contenant une forêt de picots, soumis à un fort flux de chaleur permettant la vaporisation d'une partie du liquide. L'objectif du projet est la meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans ce type de configuration et de la création d'une base de données expérimentale pour valider les simulations numériques associées. Une maquette de canal chauffé avec picots a été réalisée. Le canal de section est alimenté en amont par un débit d'eau contrôlé, à température ambiante. La paroi basse du canal est chauffée à l'aide de 31 cartouches chauffantes alimentées par deux boitiers électriques permettant de régler la puissance fournie entre 0 et 100 \% de la puissance maximale. La paroi supérieure est percée par un hublot permettant la visualisation de l'écoulement interne. De nombreux thermocouples sont insérés dans les parois inférieure et supérieure du canal afin de mesurer les conditions de température de l'expérience. L'ensemble de la maquette a été inséré dans un support isolant afin de minimiser les pertes thermiques vers l'environnement. A la sortie du canal, l'installation permet la mesure du débit de liquide non vaporisé. Enfin un capteur de pression différentielle enregistre les pertes de charge entre l'entrée et la sortie du canal. La campagne d'essais a été réalisée en faisant varier les débit d'eau et la puissance d'alimentation des cartouches. Pour chaque condition de débit, 6 ou 7 paliers de puissance ont été réalisés jusqu'à atteindre un état stationnaire. Dans chaque condition d'essais, toutes les mesures sont acquises et des visualisations de l'écoulement sont enregistrées par caméra vidéo classique ou rapide, avec injection d'acide aminoG pour augmenter le contraste entre les zones liquides et gazeuses. Une grandeur intéressante pour comparer aux simulations numériques est le coefficient d'échange pariétal à l'interface fluide-solide, en présence du phénomène de vaporisation. En effet la littérature montre une très forte augmentation du transfert de chaleur pariétal dans ces conditions. Pour identifier ce coefficient d'échange, il est nécessaire de connaître le flux de chaleur échangé entre la paroi inférieure et le fluide. Dans ce but, une méthode inverse de conduction de la chaleur a été utilisée pour identifier ce flux de chaleur, à partir des températures mesurées au sein de la paroi. Une hypothèse d'uniformité latérale des températures a conduit au développement d'un modèle thermique 2D plan, avec prise en compte de la puissance générée par les 31 cartouches électriques. Le coefficient d'échange pariétal efficace est identifié à partir du flux de chaleur et de la température locale du fluide. L'évolution de cette dernière le long du canal est calculée par un bilan d'enthalpie depuis l'entrée, en intégrant les flux de chaleur identifiés par la méthode inverse. La présence des picots est prise en compte a posteriori dans le post-traitement en considérant un modèle d'ailette soumise à un coefficient d'échange uniforme, ce qui permet de remonter au coefficient d'échange pariétal.

Les céramiques sont des matériaux qui possèdent des propriétés thermiques et mécaniques intéressantes pour différentes applications industrielles. Notamment, dans le domaine du nucléaire, le dioxyde d'uranium est utilisé comme combustible nucléaire car il est très résistant à la chaleur et au gradient de température. Les céramiques ont aussi, pour la plupart, une faible conductivité thermique et une forte résistance mécanique à la chaleur, ce qui font d'elles un matériau idéal pour la conception de four ou d'isolant. Elles peuvent aussi, selon le procédé utilisé pour leur fabrication, être très poreuses et avoir de hautes surfaces spécifiques. Elles sont ainsi utilisées pour des applications liées au filtrage ou comme support de catalyseurs. C'est pourquoi ce genre de matériaux s'inscrit très bien dans le contexte de réduction d'énergie, en rendant les systèmes plus performants. On s'intéresse dans ce travail au comportement thermique de poudres d'alumine $\alpha$-Al2O3, qui peut être influencé par la porosité, la taille des grains, la forme des grains, la forme et l'échelle des pores, l'arrangement des grains, etc. Ce travail traite en particulier, d'une part, de l'influence de la taille des grains sur la conductivité apparente du lit de poudre et, d'autre part, de l'influence de la géométrie des grains et de l'arrangement du milieu. La mesure de conductivité passe par l'estimation de la diffusivité et de l'effusivité thermique. Ce sont des propriétés thermiques effectives du milieu que nous mesurons à l'aide d'un plan chaud, la méthode de mesure est transitoire. Un des premiers résultats observés est, qu'à porosité égale, la conductivité augmente avec la taille des grains jusqu'à un palier. Par ailleurs, nous savons que la géométrie des grains et leur arrangement sont des paramètres importants qui influent sur le comportement thermique global. Pour cela, une autre expérience vise à comparer deux poudres ayant une taille de grains moyenne et une porosité quasiment identiques. L'une est composée de grains pleins ayant une porosité interne répartie de manière homogène et isotrope et l'autre de grains creux possédant une grosse porosité en son centre. Une caractérisation fine des deux poudres, avec une résolution proche du micromètre, est obtenue par des mesures au tomographe à rayon X. Ceci permet de quantifier avec des paramètres géométriques les différences entre les grains, mais aussi l'arrangement des grains entre eux. L'élaboration d'un modèle basé sur la théorie de la percolation prenant en compte des paramètres microstructuraux des poudres, nous permet d'avoir une bonne prédiction de la conductivité thermique effective des lits de poudres.

Aortic dissection is a serious vascular disease characterised by a separation of the layers of the arterial wall and the creation of a second lumen. Mortality due to this disease is particularly high and requires surgery as soon as possible. Although widely documented clinically, the phenomena behind this condition are largely unknown and many questions remain unanswered. Thus, the objective of this thesis is to better understand the mechanisms triggering aortic dissection and the parameters influencing its propagation. Initially, two studies combining tensile tests with finite element models allowed the mechanical properties and fracture modes I and II of the aortic wall to be identified using inverse methods. Subsequently, an aortic dissection model using the extended finite element method was developed in order to quantify the impact of geometric and mechanical factors on the rupture pressure and the direction of propagation of the aortic dissection. In order to validate this model, a new experimental method combining a mechanical tension-inflation test with X-ray microtomography has been developed. This in-situ test made it possible to observe the 3D evolution of the delamination profile during the propagation of a dissection in the aortic wall. These observations and modelling have led to a better understanding of the mechanisms of propagation of the dissection, and open perspectives on the development of personalised diagnostic tools., La dissection aortique est une maladie vasculaire grave caractérisée par un décollement des couches de la paroi artérielle et la création d'un chaux chenal. La mortalité due à cette affection est particulièrement élevée et demande une intervention chirurgicale dans les délais les plus brefs. Bien que largement documentés cliniquement, les phénomènes à l'origine de cette condition sont peu connus et de nombreuses questions demeurent sans réponses. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes déclenchant la dissection aortique et les paramètres influençant sa propagation. Dans un premier temps, deux études combinant des tests mécaniques de traction avec des modèles éléments finis ont permis d'identifier les propriétés mécaniques et les modes de rupture I et II de la paroi aortique grâce à des méthodes inverses. Par la suite, un modèle de dissection aortique utilisant la méthode des éléments finis étendus à été développé afin de quantifier l'impact de facteurs géométriques et mécaniques sur la pression de rupture ainsi que sur la direction de propagation de la dissection aortique. Afin de valider ce modèle, une nouvelle méthode expérimentale combinant un essai mécanique de traction-gonflement avec de la microtomographie à rayons X a été mise au point. Ce test in situ a permis d'observer l'évolution 3D du profil de délamination lors de la propagation d'une dissection dans la paroi. Ces observations et modélisations ont permis une meilleure compréhension des mécanismes de propagation de la dissection, et ouvrent des perspectives sur le développement d'outils de diagnostic personnalisés.

In the field of hydrology, the Geomorphological Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH) is central to describing a watershed response. The application of GIUH is extended to individual hydrological events by accounting for the influence of rainfall spatial distribution. A method is proposed herein to identify the Geomorphological Instantaneous Unit Hydrograph specific to each flood event (i.e. E-GIUH), when runoff of effective rainfall is the dominant process. The E-GIUH is derived from observational data, namely: rainfall field time series, and a hydrograph. Such an identification process is formulated as an inverse problem with parameters such as the E-GIUH velocity and coefficient of dispersion, as well as the hyetograph of rainfall excess. The proposed method is applied to several flood events across two mountainous catchments within the Cevennes-Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory territory prone to flash flooding. Results indicate that the E-GIUHs display significant variability over the two basins, and the E-GIUH parameters appear to be correlated with the flood event magnitude. The E-GIUH synthetizes the basin response to rain forcing and can be considered as a signature of flood events. A sensitivity study suggests that E-GIUH identification is fairly robust, even with respect to the a priori hyetograph of effective rainfall.

In numerical thermal simulation, the inverse problem consists in finding one or more parameters of the discretized heat equation from temperature measurements. This is a complex procedure that often remains limited to simple geometry. The idea is then to use modal-type thermal reduced models, which will considerably reduce the number of unknowns while maintaining satisfactory accuracy over the entire modelled domain. These models will then allow to extend the technique of inverse problems to any type of geometry, whatever its complexity.The objective of this thesis work is to evaluate the efficiency of such a method for an application related to building thermics, in which one seeks to identify the properties of insulating materials (thermal capacity and conductivity).The main work has been the application of this technique for an in situ measurement, using a hot wire probe, which has so far been unsuitable for thermal insulation.A second application of this technique to solve inverse problems by reduced model is the characterization of a bio-sourced material from tomographic surveys at the microscopic scale.For these two applications, the digital developments carried out have allowed the realization of encouraging first experimental trials.; En simulation numérique thermique, le problème inverse consiste à partir de mesures de température, à retrouver un ou plusieurs paramètres de l'équation de la chaleur discrétisée. C'est une procédure complexe qui reste souvent limitée à une géométrie simple. L'idée est alors d'utiliser des modèles réduits thermiques de type modaux, qui vont permettre de diminuer considérablement le nombre d'inconnues tout en maintenant une précision satisfaisante sur l'intégralité du domaine modélisé. Ces modèles vont alors permettre d'étendre la technique des problèmes inverses à tout type de géométrie, quelle que soit sa complexité.L'objectif de ce travail de thèse consiste à évaluer l'efficacité d'une telle méthode pour une application liée à la thermique du bâtiment, dans laquelle on cherche à identifier les propriétés de matériaux isolants (capacité et conductivité thermiques).Le principal travail a été la mise en application de cette technique pour une mesure in situ, via une sonde de type fil chaud, jusqu'ici inadaptée aux isolants thermiques.Une seconde application de cette technique de résolution de problèmes inverses par modèle réduit est la caractérisation d'un matériau bio-sourcé à partir de relevés tomographiques à l'échelle microscopique.Pour ces deux applications, les développements numériques effectués ont permis la réalisation de premiers essais expérimentaux encourageants.

In numerical thermal simulation, the inverse problem consists in finding one or more parameters of the discretized heat equation from temperature measurements. This is a complex procedure that often remains limited to simple geometry. The idea is then to use modal-type thermal reduced models, which will considerably reduce the number of unknowns while maintaining satisfactory accuracy over the entire modelled domain. These models will then allow to extend the technique of inverse problems to any type of geometry, whatever its complexity.The objective of this thesis work is to evaluate the efficiency of such a method for an application related to building thermics, in which one seeks to identify the properties of insulating materials (thermal capacity and conductivity).The main work has been the application of this technique for an in situ measurement, using a hot wire probe, which has so far been unsuitable for thermal insulation.A second application of this technique to solve inverse problems by reduced model is the characterization of a bio-sourced material from tomographic surveys at the microscopic scale.For these two applications, the digital developments carried out have allowed the realization of encouraging first experimental trials.; En simulation numérique thermique, le problème inverse consiste à partir de mesures de température, à retrouver un ou plusieurs paramètres de l'équation de la chaleur discrétisée. C'est une procédure complexe qui reste souvent limitée à une géométrie simple. L'idée est alors d'utiliser des modèles réduits thermiques de type modaux, qui vont permettre de diminuer considérablement le nombre d'inconnues tout en maintenant une précision satisfaisante sur l'intégralité du domaine modélisé. Ces modèles vont alors permettre d'étendre la technique des problèmes inverses à tout type de géométrie, quelle que soit sa complexité.L'objectif de ce travail de thèse consiste à évaluer l'efficacité d'une telle méthode pour une application liée à la thermique du bâtiment, dans laquelle on cherche à identifier les propriétés de matériaux isolants (capacité et conductivité thermiques).Le principal travail a été la mise en application de cette technique pour une mesure in situ, via une sonde de type fil chaud, jusqu'ici inadaptée aux isolants thermiques.Une seconde application de cette technique de résolution de problèmes inverses par modèle réduit est la caractérisation d'un matériau bio-sourcé à partir de relevés tomographiques à l'échelle microscopique.Pour ces deux applications, les développements numériques effectués ont permis la réalisation de premiers essais expérimentaux encourageants.

This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers.; Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz.

This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers., Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz.

Models used for studies of atmospheric reentry vehicles are mainly developed with data from wind tunnel test campaigns. Despite such data are highly instructive, they do not reflect all the conditions encountered during reentry. Measurements carried out during atmospheric flights can be used to deal with this lack of data. Within this context, the present work consisted in an aerothermodynamic analysis of the atmospheric reentry of a reusable lifting body from a low Earth orbit. This study used thermocouple and infrared thermographic temperature measurements carried out during the atmospheric reentry of the IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) spaceplane. This vehicle was an automatic lifting body designed and launched by the European Space Agency. The aerothermodynamic analysis involved two approaches. The first one is based on inverse heat conduction problems: the purpose was to estimate the unknown convecto-diffusive heat flux at the windward surface of IXV using temperature measurements on the leeward surface of a flap or inside the thermal protection systems. However, estimates from inverse analyses do not bring information about physical phenomena in the shock layer which could generate convecto-diffusive heat flux at the surface. This point justifies the work from the second approach, based on 1D and 3D Navier-Stokes simulations of the hypersonic flow around IXV. The purposes of these simulations were to analyse and identify the physical phenomena which allowed the convecto-diffusive heat flux from inverse problems to be reproduced. This association between inverse methods and Navier-Stokes simulations was previously tested on data from the orbiter Columbia during the STS-2 atmospheric reentry. The long-term objective is to improve aerothermodynamic databases and tools for the preparation of Europe’s future automated reentry systems.; Les modèles développés pour l'étude des rentrées atmosphériques sont essentiellement basés sur des mesures en soufflerie. Bien que ces dernières soient riches en enseignements, elles ne sont pas représentatives de l'ensemble des conditions rencontrées lors d'une rentrée atmosphérique. Pour combler ce manque de données il est nécessaire de traiter des mesures réalisées en vol. Les présents travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte et proposent une analyse aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique d'un véhicule réutilisable, de type corps portant, depuis une orbite basse terrestre. Plus précisément cette analyse traite du flux de chaleur convecto-diffusif à l'intrados du véhicule. Pour remplir cet objectif l'étude s'appuie principalement sur les mesures de température effectuées au cours de la rentrée atmosphérique de l’IXV (Intermediate eXperimental Vehicle), le premier véhicule autonome de l'Agence Spatiale Européenne piloté sur une trajectoire planante. Les mesures de température ont été réalisées dans les protections thermiques de l’intrados et à la surface extrados des gouvernes à l’aide de thermocouples et d'une caméra infrarouge. L'analyse aérothermodynamique s'articule autour de deux approches complémentaires. La première est une estimation par méthodes inverses 1D et 3D du flux de chaleur convecto-diffusif à la surface intrados de l'IXV à partir des mesures de température. Cependant ces estimations ne permettent pas à elles seules de remonter jusqu'à l'historique des phénomènes physico-chimiques dans la couche de choc. Ce point justifie la présence de la deuxième approche basée sur des simulations Navier-Stokes 1D et 3D de l'écoulement. Ces simulations ont été menées afin d'identifier et d'analyser de possibles scénarios des phénomènes physico-chimiques permettant de reproduire les niveaux du flux de chaleur estimés par méthode inverse. Cette méthode, basée sur les résultats d'une approche par méthode inverse et d'une approche par simulations de l'écoulement, a préalablement été testée sur les données des premiers vols de la navette spatiale américaine Columbia. Finalement, ces travaux de thèse présentent une lecture approfondie des mesures réalisées au cours du vol de l'IXV. Sur le long terme ces données permettront de compléter les bases de données aérothermodynamiques et d'améliorer les outils de dimensionnement des véhicules de rentrée atmosphérique.

Since the discovery of the acceleration of the expansion of the universe at the end of the 90s, the LambdaCDM model describing the properties of the universe with only six parameters, remains to this day in agreement with current observations. The discovery of the accelerating expansion of the universe revealed the existence of a new dark component of the universe: dark energy which constitutes 70% of the total density of the universe. In recent years, many experiments have been proposed with the aim of studying cosmic acceleration, and this thanks to various cosmological probes. For example the grouping of galaxies, supernovae, weak and strong gravitational lensing, the cosmic microwave background or clusters of galaxies. In order to quantify the performance of cosmological probes, the Dark Energy Task Force (DETF) defined a figure of merit metric as inversely proportional to the contour area given by the dark energy parameters omega 0, and omega a derived from the Chevallier-Polarski-Linder parametrization. We are currently entering an era of high precision with large Generation IV cosmological surveys: Euclid, DESI, LSST, and W-FIRST. Predicting the constraints and the factor of merit that a future experiment will bring (forecasts) has now become one of the main concerns of scientists, because in addition to predicting the performance of future surveys, forecasts help in their design. This work aims to provide quantitative estimates of the binding power of some main Generation IV statements (Euclid, DESI, and LSST) within the framework of the LambdaCDM model, but also for its extensions (models relaxing the dark energy parameters, and modified gravity models). This work also focuses on the numerical aspect of the statistical approaches used in the forecasts and presents methods ensuring the robustness of the results via analyzes of stability, convergence, and thanks to the comparisons between different possible approaches (Fisher formalism, and Monte-Carlo Markov-Chain). In this thesis, we show that performing cross-correlations between different cosmological probes considerably improves the figure of merit, in particular for Euclid, the gain being less important for LSST. However, the comparison of the readings shows that LSST will potentially be the Generation IV survey that will provide the greatest figure of merit, unlike DESI, which will be the least efficient survey. We also highlight that the multi-tracer analysis carried out on the different populations that DESI will observe does not allow a considerable gain on the constraints and the figure of merit if we compare to a simple single-tracer analysis.; Depuis la découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers à la fin des années 90, le modèle LambdaCDM décrivant les propriétés de l'univers avec seulement six paramètres, demeure encore à ce jour en accord avec les observations actuelles. La découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers révéla l'existence d'une nouvelle composante noire de l'univers: l'énergie noire qui constitue 70% de la densité totale de l'univers. Durant ces dernières années, de nombreuses expériences furent proposées dans le but d'étudier l'accélération cosmique, et cela grâce à diverses sondes cosmologiques, par exemple le groupement de galaxies, les supernovae, les lentillages gravitationnels faible et fort, le fond diffus cosmologique ou les amas de galaxies. Afin de quantifier les performances des sondes cosmologiques, la Dark Energy Task Force (DETF) a défini une métrique du facteur de mérite comme inversement proportionnelle à la surface du contour donnée par les paramètres d'énergie noire omega 0 , et omega a issus de la paramétrisation Chevallier-Polarski-Linder. Nous entrons actuellement dans une ère de haute précision avec les grands relevés cosmologiques de génération IV: Euclid, DESI, LSST, et W-FIRST. La prédiction des contraintes et du facteur de mérite qu'apportera une future expérience (forecasts) est aujourd'hui devenue l'une des principales préoccupations des scientifiques, car en plus de prédire les performances des futurs relevés, les forecasts aident à leur conception. Ce travail a pour but de donner des estimations quantitatives sur le pouvoir contraignant de quelques principaux relevés de génération IV (Euclid, DESI, et LSST) dans le cadre du modèle LambdaCDM, mais aussi pour ses extensions (modèles relâchant les paramètres de l'énergie noire, et modèles de gravité modifiée). Ce travail se concentre également sur l'aspect numérique des approches statistiques utilisées dans les forecasts et présente des méthodes assurant la robustesse des résultats via des analyses de stabilité, de convergence, et grâce aux comparaisons entre différentes approches possibles (formalisme de Fisher, et Monte-Carlo Markov-Chain). Dans cette thèse, nous montrons qu'effectuer des corrélations croisées entre différentes sondes cosmologiques améliore considérablement le facteur de mérite, en particulier pour Euclid, le gain étant moins important pour LSST. La comparaison des relevés montre toutefois que LSST sera potentiellement le relevé de génération IV qui fournira le plus grand facteur de mérite, contrairement à DESI qui sera le relevé le moins performant. Nous mettons également en avant que l'analyse multi-traceurs effectuée sur les différentes populations qu'observera DESI ne permet pas un gain considérable sur les contraintes et le facteur de mérite par rapport à une simple analyse mono-traceur.

Models used for studies of atmospheric reentry vehicles are mainly developed with data from wind tunnel test campaigns. Despite such data are highly instructive, they do not reflect all the conditions encountered during reentry. Measurements carried out during atmospheric flights can be used to deal with this lack of data. Within this context, the present work consisted in an aerothermodynamic analysis of the atmospheric reentry of a reusable lifting body from a low Earth orbit. This study used thermocouple and infrared thermographic temperature measurements carried out during the atmospheric reentry of the IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) spaceplane. This vehicle was an automatic lifting body designed and launched by the European Space Agency. The aerothermodynamic analysis involved two approaches. The first one is based on inverse heat conduction problems: the purpose was to estimate the unknown convecto-diffusive heat flux at the windward surface of IXV using temperature measurements on the leeward surface of a flap or inside the thermal protection systems. However, estimates from inverse analyses do not bring information about physical phenomena in the shock layer which could generate convecto-diffusive heat flux at the surface. This point justifies the work from the second approach, based on 1D and 3D Navier-Stokes simulations of the hypersonic flow around IXV. The purposes of these simulations were to analyse and identify the physical phenomena which allowed the convecto-diffusive heat flux from inverse problems to be reproduced. This association between inverse methods and Navier-Stokes simulations was previously tested on data from the orbiter Columbia during the STS-2 atmospheric reentry. The long-term objective is to improve aerothermodynamic databases and tools for the preparation of Europe’s future automated reentry systems., Les modèles développés pour l'étude des rentrées atmosphériques sont essentiellement basés sur des mesures en soufflerie. Bien que ces dernières soient riches en enseignements, elles ne sont pas représentatives de l'ensemble des conditions rencontrées lors d'une rentrée atmosphérique. Pour combler ce manque de données il est nécessaire de traiter des mesures réalisées en vol. Les présents travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte et proposent une analyse aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique d'un véhicule réutilisable, de type corps portant, depuis une orbite basse terrestre. Plus précisément cette analyse traite du flux de chaleur convecto-diffusif à l'intrados du véhicule. Pour remplir cet objectif l'étude s'appuie principalement sur les mesures de température effectuées au cours de la rentrée atmosphérique de l’IXV (Intermediate eXperimental Vehicle), le premier véhicule autonome de l'Agence Spatiale Européenne piloté sur une trajectoire planante. Les mesures de température ont été réalisées dans les protections thermiques de l’intrados et à la surface extrados des gouvernes à l’aide de thermocouples et d'une caméra infrarouge. L'analyse aérothermodynamique s'articule autour de deux approches complémentaires. La première est une estimation par méthodes inverses 1D et 3D du flux de chaleur convecto-diffusif à la surface intrados de l'IXV à partir des mesures de température. Cependant ces estimations ne permettent pas à elles seules de remonter jusqu'à l'historique des phénomènes physico-chimiques dans la couche de choc. Ce point justifie la présence de la deuxième approche basée sur des simulations Navier-Stokes 1D et 3D de l'écoulement. Ces simulations ont été menées afin d'identifier et d'analyser de possibles scénarios des phénomènes physico-chimiques permettant de reproduire les niveaux du flux de chaleur estimés par méthode inverse. Cette méthode, basée sur les résultats d'une approche par méthode inverse et d'une approche par simulations de l'écoulement, a préalablement été testée sur les données des premiers vols de la navette spatiale américaine Columbia. Finalement, ces travaux de thèse présentent une lecture approfondie des mesures réalisées au cours du vol de l'IXV. Sur le long terme ces données permettront de compléter les bases de données aérothermodynamiques et d'améliorer les outils de dimensionnement des véhicules de rentrée atmosphérique.

International audience; In this article, a modeling extension for the description of wave propagation in porous media at low-mid frequencies is introduced. To better characterize the viscous and inertial interactions between the fluid and the structure in this regime, two additional terms described by two parameters α1 and α2 are taken into account in the representation of the dynamic tortuosity in a Laurent-series on frequency. The model limitations are discussed. A sensitivity analysis is performed, showing that the influence of α1 and α2 on the acoustic response of porous media is significant. A general Bayesian inference is then conducted to infer, simultaneously, the posterior probability densities of the model parameters. The proposed method is based on the measurement of waves transmitted by a slab of rigid porous material, using a temporal model for the direct and inverse transmission problem. Bayesian inference results obtained on three different porous materials are presented, which suggests that the two additional parameters are accessible and help reduce systematic errors in the identification of other parameters: porosity, static viscous permeability, static viscous tortuosity, static thermal permeability, and static thermal tortuosity.

International audience; The paper aims at providing an overview of the research activities performed from the two past decades at the authors laboratory, in the field of the materials characterisation under dynamic loadings (i.e. from 10^-3 s^-1 to 10^+3 s^-1 for structural crashworthiness and impact applications) and the parameters identification to model their constitutive behaviour and damage. The different testing devices to load the material sample on the expected strain rate range are presented and discussed first, including the different experimental measurement techniques applied to analyse the stress - strain curves. From the normalised direct approach, two different numerical approaches, based on inverse problem resolution techniques, are introduced and discussed: the well-know Finite Element Model Updating method and the most advanced one based on the Virtual Fields Method, that enables to take the full advantages of full-field measurement techniques, such the Digital Image Correlation method. Applications for different materials and models, viscoplastic and damage, are given to support these advanced methods, including the dynamic strength of riveted and welded assemblies.

International audience; In this paper, a modeling extension for the description of wave propagation in rigid porous media at high frequencies is used. To better characterize the visco-inertial and thermal interactions between the fluid and the structure in this regime, two additional characteristic viscous and thermal surfaces R and R0 are taken into account, as initially introduced in Kergomard, Lafarge, and Gilbert [Acta Acust. Acust. 99(4), 557–571 (2013)]. This extends the modeling order of the dynamic tortuosity and compressibility. A sensitivity analysis is performed on the additional parameters, showing that only the viscous surface R has an influence on transmitted waves in the high frequency regime, for materials having a low viscous characteristic length. A general Bayesian inference is then conducted to infer simultaneously the posterior probability densities of the parameters associated with the visco-inertial effects, i.e., the porosity, tortuosity, the viscous characteristic length, and the viscous characteristic surface. The proposed method is based on the measurement of waves transmitted by a slab of rigid porous material in the time domain. Bayesian inference results obtained on three different porous materials are presented.

The growing interest in biosourced materials in the construction sector is confronted with difficulties in simulating their hygrothermal behavior. Insulating materials such as fiberboard concentrate all the difficulties because they are not very thermally conductive, very hygroscopic and very diffusive to water vapor. Consequently, in transient state, heat and mass coupling is exacerbated, and the phases of water are not in equilibrium locally.In order to highlight this second phenomenon, a new experimental device has been developed. It allows to subject a sample a few centimeters thick to a disturbance of relative humidity on its front face and then to simultaneously measure the evolution of relative humidity on its back face and its mass. In a situation of non-equilibrium, there is a phase shift between these two quantities that the classic coupled transfer formulation cannot predict. In order to obtain a correct prediction, a new formulation was used. It is based on the use of memory functions characterizing microscopic diffusion. In order to demonstrate the predictive capacity of the new formulation, these functions have been determined with gravimetric tests performed on very small samples using a magnetic suspension balance. In parallel, a rigorous analysis of the heat and mass coupling in these materials made it possible to highlight the impact of different macroscopic parameters on their characterization.The use of the new formulation fed by the identified memory functions and the various macroscopic parameters allows an excellent prediction of relative humidity and mass. This new formulation, experimentally validated, can now be used in energy simulation of the building.; L’intérêt croissant pour les matériaux biosourcés dans le domaine de la construction se heurte à des difficultés quant à la simulation de leur comportement hygrothermique. En particulier, les matériaux isolants tels que les panneaux de fibres concentrent toutes les difficultés car ils sont peu conducteurs thermiquement, très hygroscopiques et très diffusifs à la vapeur d’eau. Conséquemment, en régime transitoire le couplage chaleur masse est exacerbé et les phases de l’eau ne sont pas à l’équilibre localement.Afin de mettre en évidence ce second phénomène, un nouveau dispositif expérimental a été développé. Il permet de soumettre un échantillon de quelques centimètres d’épaisseur à une perturbation de l’humidité relative sur sa face avant puis de mesurer simultanément l’évolution de l’humidité relative sur sa face arrière et de sa masse. En situation de non-équilibre, il existe un déphasage entre ces deux grandeurs que la formulation de transferts couplés classique n’arrive pas à prédire. Afin d’obtenir une prédiction correcte, une nouvelle formulation a été utilisée. Celle-ci se base sur l’emploi de fonctions mémoires caractérisant la diffusion microscopique. De manière à démontrer la capacité prédictive de la nouvelle formulation, ces fonctions ont été déterminées avec des essais gravimétriques réalisés sur de très petits échantillons à l’aide d’une balance à suspension magnétique. En parallèle, une analyse rigoureuse du couplage chaleur masse dans ces matériaux a permis de souligner l’impact sur leur caractérisation de différents paramètres macroscopiques.L’utilisation de la nouvelle formulation alimentée par les fonctions mémoires et les différents paramètres macroscopiques permet une excellente prédiction de l’humidité relative et de la masse. Cette nouvelle formulation validée expérimentalement est désormais utilisable dans des logiciels de simulation énergétique du bâtiment.

The growing interest in biosourced materials in the construction sector is confronted with difficulties in simulating their hygrothermal behavior. Insulating materials such as fiberboard concentrate all the difficulties because they are not very thermally conductive, very hygroscopic and very diffusive to water vapor. Consequently, in transient state, heat and mass coupling is exacerbated, and the phases of water are not in equilibrium locally.In order to highlight this second phenomenon, a new experimental device has been developed. It allows to subject a sample a few centimeters thick to a disturbance of relative humidity on its front face and then to simultaneously measure the evolution of relative humidity on its back face and its mass. In a situation of non-equilibrium, there is a phase shift between these two quantities that the classic coupled transfer formulation cannot predict. In order to obtain a correct prediction, a new formulation was used. It is based on the use of memory functions characterizing microscopic diffusion. In order to demonstrate the predictive capacity of the new formulation, these functions have been determined with gravimetric tests performed on very small samples using a magnetic suspension balance. In parallel, a rigorous analysis of the heat and mass coupling in these materials made it possible to highlight the impact of different macroscopic parameters on their characterization.The use of the new formulation fed by the identified memory functions and the various macroscopic parameters allows an excellent prediction of relative humidity and mass. This new formulation, experimentally validated, can now be used in energy simulation of the building., L’intérêt croissant pour les matériaux biosourcés dans le domaine de la construction se heurte à des difficultés quant à la simulation de leur comportement hygrothermique. En particulier, les matériaux isolants tels que les panneaux de fibres concentrent toutes les difficultés car ils sont peu conducteurs thermiquement, très hygroscopiques et très diffusifs à la vapeur d’eau. Conséquemment, en régime transitoire le couplage chaleur masse est exacerbé et les phases de l’eau ne sont pas à l’équilibre localement.Afin de mettre en évidence ce second phénomène, un nouveau dispositif expérimental a été développé. Il permet de soumettre un échantillon de quelques centimètres d’épaisseur à une perturbation de l’humidité relative sur sa face avant puis de mesurer simultanément l’évolution de l’humidité relative sur sa face arrière et de sa masse. En situation de non-équilibre, il existe un déphasage entre ces deux grandeurs que la formulation de transferts couplés classique n’arrive pas à prédire. Afin d’obtenir une prédiction correcte, une nouvelle formulation a été utilisée. Celle-ci se base sur l’emploi de fonctions mémoires caractérisant la diffusion microscopique. De manière à démontrer la capacité prédictive de la nouvelle formulation, ces fonctions ont été déterminées avec des essais gravimétriques réalisés sur de très petits échantillons à l’aide d’une balance à suspension magnétique. En parallèle, une analyse rigoureuse du couplage chaleur masse dans ces matériaux a permis de souligner l’impact sur leur caractérisation de différents paramètres macroscopiques.L’utilisation de la nouvelle formulation alimentée par les fonctions mémoires et les différents paramètres macroscopiques permet une excellente prédiction de l’humidité relative et de la masse. Cette nouvelle formulation validée expérimentalement est désormais utilisable dans des logiciels de simulation énergétique du bâtiment.

The present work focuses on porous materials in aeronautics and the uncertainty considerationson the performed identifications. Porous materials are added inside the cavities ofacoustic liners, materials formed with perforated plates and cavities, behaving as resonators,which are widely used in the industry. The aim is to increase the frequency range of theabsorption spectrum, while improving the behaviour of liners to shear grazing flow and highsound intensity.This general topic is addressed by following two different leads.Porous materials are first considered in order to identify the intrinsic properties of theirmicro-geometry, necessary to the equivalent fluid models used later on. To achieve this, astatistical Bayesian inference tool is used to extract information on these properties in threedistinct frequency regimes.Then, the liner impedance, a global property representing the acoustic behaviour of materials,is identified through a Bayesian inference process. Data from a NASA benchmarkare used to validate the developed tool, when the liner is subject to a shear grazing flow.An extension of these results to ONERA’s B2A aeroacoustic bench is also performed,with measurements of the velocity profiles above the liner, obtained with a Laser DopplerVelocimetry technique. This identification technique is then further used for liner materialsfilled with porous media, to highlight the influence of such a porous media on the acousticresponse of the liner, when subject to a shear grazing flow. Different combinations ofperforated plates and porous materials are tested at different sound pressure level, toevaluate the influence of the presence of porous media on the non-linear behaviour of linerswhen high sound pressure levels are present., Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit gravitent autour de la thématiquedes matériaux poreux en aéronautique et de la prise en compte de l’incertitude sur lescaractérisations réalisées. On s’intéresse notamment à l’ajout de matériaux poreux au seindes cavités de liners acoustiques, matériaux architecturés constitués d’une plaque perforéeet d’une cavité fonctionnant sur le principe d’un résonateur et majoritairement utilisés dansl’industrie aéronautique. Cet ajout est réalisé avec pour objectif d’augmenter l’étenduespectrale de l’absorption acoustique de tels liners et d’en améliorer le fonctionnement enprésence d’un fort niveau sonore et d’un écoulement rasant.Pour répondre à cette problématique générale, deux grandes pistes sont suivies.Plusieurs études sont d’abord menées sur des matériaux poreux seuls, afin de déterminerles propriétés intrinsèques de leur micro-géométrie, nécessaires à l’utilisation des modèles defluide équivalent adoptés par la suite. Pour cela, un outil statistique d’inférence Bayésienneest utilisé afin d’extraire l’information sur ces propriétés, contenue dans les signaux réfléchisou transmis par un matériau poreux, et ce dans trois régimes fréquentiels distincts.Dans un second temps, l’impédance d’un liner, une propriété représentant le comportementacoustique du matériau architecturé, est identifiée par inférence Bayésienne. Desdonnées issues d’un benchmark de la NASA sont utilisées pour valider l’outil d’inférencedéveloppé, lorsque le matériau est en présence d’un écoulement rasant. Une extension desrésultats au cas du banc B2A de l’ONERA est également réalisée, avec la mesure des champsde vitesses au dessus du liner, obtenus par LDV. Cette technique d’identification est par lasuite utilisée sur un cas issu du B2A où un matériau poreux est présent au sein des cavitésdu liner, afin d’étudier l’influence du matériau poreux sur la réponse acoustique du liner enprésence d’un écoulement rasant. Des mesures complémentaires en tube à impédance sontégalement réalisées de façon à mettre en évidence l’influence de la présence d’un matériauporeux sur le comportement acoustique d’un liner soumis à de forts niveaux sonores.

Les travaux de thèse gravitent autour de la thématique des matériaux poreux en aéronautique, et de la prise en compte de l'incertitude sur les caractérisations réalisées. Est envisagé l'ajout de matériaux poreux au sein des cavités de liners acoustiques, matériaux constitués d'une plaque perforée et d'une cavité fonctionnant sur le principe du résonateur de Helmholtz et majoritairement utilisés dans l'industrie aéronautique. Cet ajout est réalisé avec pour objectif d'augmenter l'étendue spectrale de l'absorption acoustique de tels matériaux et d'en améliorer le fonctionnement en présence d'un fort niveau sonore et d'un écoulement rasant.Pour répondre à cette problématique générale, deux grandes pistes sont suivies. Plusieurs études sont d'abord menées sur des matériaux poreux seuls, afin de déterminer les propriétés intrinsèques de leur micro-géométrie, nécessaires à l'utilisation des modèles semi-phénoménologiques de fluide équivalent adoptés par la suite. Pour cela, un outil statistique d'inférence Bayésienne est utilisé afin d'extraire l'information sur ces propriétés, contenue dans les signaux réfléchis ou transmis par un matériau poreux, et ce dans trois régimes fréquentiels distincts. De plus, une extension de la modélisation des matériaux poreux rigides est proposée, par l'ajout de deux paramètres intrinsèques reliés au comportement visco-inertiel du fluide intra-pores dans le régime des basses fréquences.Dans un second temps, l'impédance d'un liner, une propriété globale représentant le comportement acoustique de matériaux, est identifiée par inférence Bayésienne. Des données issues d'un benchmark de la NASA sont utilisées pour valider l'outil d'inférence développé, lorsque le matériau est en présence d'un écoulement rasant. Une extension des résultats au cas du banc B2A de l'ONERA est également réalisée, avec des mesures des champs de vitesses au dessus du liner, obtenues par LDV. Cette technique d'identification est par la suite utilisée sur un cas issu du B2A où un matériau poreux est présent au sein des cavités du liner, afin de mettre à jour l'influence du matériau poreux sur la réponse acoustique du liner en présence d'un écoulement rasant. Des mesures complémentaires en tube à impédance, sans écoulement et en incidence normale, sont également réalisées à différents niveaux sonores et pour diverses combinaisons de plaques perforées et de matériaux poreux, de façon à mettre en évidence l'influence de la présence d'un matériau poreux sur le comportement acoustique d'un liner soumis à de forts niveaux sonores. The present work focuses on porous materials in aeronautics and the uncertainty considerations on the performed identifications. Porous materials are added inside the cavities of acoustic liners, materials formed with perforated plates and cavities, behaving as Helmholtz resonators, which are widely used in the industry. The aim is to increase the frequency range of the absorption spectrum, while improving the behaviour of liners to grazing flow and high sound intensity.This general topic is addressed by following two different leads.Porous materials were first considered in order to identify the intrinsic properties of their micro-geometry, necessary to the equivalent fluid semi-phenomenological models used later on. To achieve this, a statistical Bayesian inference tool is used to extract information on these properties, contained in reflected or transmitted signals, in three distinct frequency regimes. Furthermore, a modelling extension of rigid porous media is introduced, by adding two new intrinsic parameters related to the pore micro-structure and linked to the visco-inertial behaviour of the intra-pore fluid, at low frequencies.Then, the liner impedance, a global property representing the acoustic behaviour of materials, is identified through a Bayesian inference process. Data from a NASA benchmark are used to validate the developed tool, when the liner is subject to a shear grazing flow. An extension of these results to ONERA's B2A aeroacoustic bench is also performed, with measurements of the velocity profiles above the liner, obtained with a Laser Doppler Velocimetry technique. This identification technique is then further used for liner materials filled with porous media, to highlight the eventual influence of such a porous media on the acoustic response of the liner, when subject to a shear grazing flow. Additional measurements are permed without flow, at normal incidence, in a classical impedance tube. Different combinations of perforated plates and porous materials are tested at different sound pressure level, to evaluate the influence of the presence of porous media on the non-linear behaviour of liners when high sound pressure levels are present.

Sensitivity analyses and parameter estimation are applied to mass transfer in porous media for two remediation facilities. The first part is devoted to the sensitivity analysis of groundwater flows in a modeling of drain-aquifer exchanges to highlight the differences between the two implemented methods of discretization. The second part is dedicated to the modeling of the flow in a variably saturated porous medium in a stormwater constructed wetland, to the calibration of van Genuchten-Mualem parameters and to the evaluation of its efficiency in the reproduction of piezometric data collected on the Ostwaldergraben site. The temporal variability of the hydrodynamic parameters, including the hysteresis effect, shows that the characteristics of the filter layer alters along time. Both studies are carried using automatic differentiation.; Des analyses de sensibilité et des estimations de paramètres sont étudiées sur deux études de cas de transfert de masse en milieu poreux. La première partie est consacrée à la sensibilité des écoulements souterrains dans une modélisation des échanges drain-aquifère pour mettre en évidence les différences entre les deux méthodes de discrétisation mises en œuvre. La seconde partie est dédiée à la modélisation de l’écoulement en milieu poreux variablement saturé dans une zone humide artificielle, au calage des paramètres du modèle de van Genuchten-Mualem et à l’évaluation de son efficacité à reproduire des données piézométriques collectées sur le site de l’Ostwaldergraben. La variabilité temporelle des paramètres hydrodynamiques, incluant l’effet d’hystérésis, montre que ceux de la couche active du filtre changent au cours du temps. Ces deux études sont conduites à l’aide de la différenciation automatique.

The technique of EHGI allows a noninvasive reconstruction of the electrical potential on the uterus surface based on electrical potential measured on the body surface and anatomical data of the torso. EHGI provides very precious information about the uterus condition since it is able to provide refined spatial description of the electrical wave pathway and magnitude on the uterus surface. This may help a lot in different clinical interventions. The scientific algorithms behind any EHGI tool are able to preprocess the anatomical data of the patient in order to provide a computational mesh, filter noisy measurements of the electrical potential and solve an inverse problem. The inverse problem in uterus electrohysterography (electrohysterography imaging (EHGI)) is a new and a powerful diagnosis technique. This non-invasive technology interests more and more medical industries. The success of this technology would be considered as a breakthrough in the uterus diagnosis. However, in many cases the quality of reconstructed electrical potential is not accurate enough. The difficulty comes from the fact that the inverse problem in uterus electrohysterography is well known as a mathematically ill-posed problem. Different methods based on Thikhnov regularization have been used in order to regularize the problem. We have conducted our analysis by using a realistic uterus model and have aimed at identifying the spatial extent of the sources., La technique d'EHGI permet une reconstruction non invasive du potentiel électrique à la surface de l’utérus à partir du potentiel électrique mesuré à la surface du corps et des données anatomiques du torse. L’EHGI fournit des informations très précieuses sur l'état de l’utérus car il est capable de fournir une description spatiale raffinée de la voie et de l’amplitude des ondes électriques à la surface de l'utérus. Cela peut aider beaucoup dans différentes interventions cliniques. Les algorithmes scientifiques derrière tout outil EHGI sont capables de prétraiter les données anatomiques du patient afin de fournir un maillage informatique, de filtrer les mesures bruitées du potentiel électrique et de résoudre un problème inverse. Le problème inverse en électrohystérographie utérine (imagerie électrohystérographique (EHGI)) est une technique de diagnostic nouvelle et puissante. Cette technologie non invasive intéresse de plus en plus les industries médicales. Le succès de cette technologie serait considéré comme une percée dans le diagnostic de l'utérus. Cependant, dans de nombreux cas, la qualité du potentiel électrique reconstruit n’est pas suffisamment précise. La difficulté vient du fait que le problème inverse en électrohystérographie utérine est bien connu comme un problème mathématiquement mal posé. Différentes méthodes basées sur la régularisation de Thikhnov ont été utilisées afin de régulariser le problème. Nous avons mené notre analyse en utilisant un modèle d’utérus réaliste et avons cherché à identifier l’étendue spatiale des sources.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La complexité de l'analyse des données de nanoindentation lorsque les matériaux exhibent un comportement visqueux pose la question fondamentale de l'unicité des propriétés déterminées par une analyse de l'évolution temporelle de la force de pénétration et du déplacement de la pointe de l'indenteur . Ce problème de non-unicité des propriétés obtenues est souvent provoqué en pratique par une grande sensibilité aux erreurs de mesure . Cette difficulté est bien connue lors de l'analyse inverse de la courbe d'indentation élasto-plastique [1], elle est en revanche peu abordée en présence de phénomènes visqueux (viscoélastique et/ou viscoplastique, ...) comme cela peut être le cas pour les polymères. Cette étude porte sur les possibilités d'extraction de propriétés viscoélastiques (VE) d'un polypropylène (PP) par nanoindentation conique. L'objectif de ce travail est de développer une méthode d'analyse des données permettant de déterminer des propriétés VE qui soient intrinsèques et fiables (uniques et stables). Pour cela, un modèle éléments finis 2D-axisymétrique de l'essai de nanoindentation intégrant un comportement VE a été élaboré [2]. Ce modèle comporte 4 paramètres : module de Young , coefficient de Poisson , module d'anélasticité et coefficient de viscosité . Des essais de nanoindentation de charge-décharge jusqu'à une profondeur d'environ 500 nm ont été réalisés sur un échantillon de PP pour différentes vitesses de pénétration de l'indenteur (50, 500, 1000 et 5000 nm/min). Il s'avère qu'il est possible de recaler presque parfaitement le modèle numérique pour chacune des vitesses, mais que les valeurs des paramètres VE estimées sont très différentes d'une vitesse à l'autre. Il s'avère également que des combinaisons très différentes de valeurs des paramètres peuvent conduire à une évolution quasi-similaire. Ce résultat démontre la non-unicité des valeurs des 4 paramètres VE déterminés par l'exploitation d'un seul essai charge-décharge. Afin de quantifier la richesse de l'information contenue dans les données temporelles, une analyse d'identifiabilité a été menée. Basée sur le calcul d'un indice d'identifiabilité [3], elle montre qu'uniquement deux paramètres peuvent être identifiés à partir d'un essai charge -décharge et que le problème majeur est la grande sensibilité de la solution du problème inverse aux incertitudes sur les données . Pour identifier plus de 2 paramètres, il est indispensable d'enrichir l'information expérimentale. Une analyse d'identifiabilité exploitant simultanément les données de plusieurs d'essais est en cours. L'intérêt de prendre ensuite en compte un palier de maintien en charge sera quantifié par la même méthode. Cette approche basée sur l'identifiabilité paramétrique devrait permettre de concevoir un essai suffisamment riche pour déterminer des valeurs intrinsèques et fiables des 4 paramètres VE, et à moyen terme d'extraire des propriétés viscoélastiques et viscoplastiques de matériaux massifs ou en couches minces. REFERENCE [1] J. K. Phadikar, T. A. Bogetti, et A. M. Karlsson, « On the uniqueness and sensitivity of indentation testing of isotropic materials », Int. J. Solids Struct. 50, 3242?3253, 2013. [2] M. C. Barick, « Vérification d'un modèle de simulation de l'essai de nanoindentation couplant viscoélasticité et viscoplasticité », Mémoire de stage, Institut FEMTO-ST, Besançon, 2016. [3] F. Richard, M. Villars, et S. Thibaud, « Viscoelastic modeling and quantitative experimental characterization of normal and osteoarthritic human articular cartilage using indentation », J. Mech. Behav. Biomed. Mater.24, 41?52, 2013.

The study of aeroacoustic and hydroacoustic noises is an important industrial research field. For example, in the transport industry, flows induced by a fluid over a structure, create a source of internal noise which cannot be neglected. To minimize its impact, it is necessary to have a good knowledge of this kind of excitation.The aim of this study is to identify the turbulent wall pressure which excites the structure, for the aeronautic and naval domains, by using an inverse vibration method, such as FAT (Force Analysis Technique) and its variations FWFAT (Filtered Windowed Force Analysis Technique) and CFAT (Corrected Force Analysis Technique).First, the methods are applied to the aeronautic domain. The influence of the flow velocity on the acoustic field and the difficulty to identify the pressure responsible for the structure vibration are pointed out.Second, an application to the naval domain is shown. The method ability to isolate the acoustic part of the excitation is introduced by using simulations. The significance of the fluid-structure coupling is studied and a method which allows taking it into account is proposed. The potentiality of CFAT method is confirmed with an experimental validation at DGA Techniques Hydrodynamiques., L'étude des bruits aéronautique et hydroacoustique fait l'objet d'une forte demande industrielle en matière de recherche. En effet, dans le domaine des transports, l'écoulement du fluide sur la structure s'avère être une source de nuisance sonore non négligeable. La compréhension de ce type d'excitation est donc nécessaire pour minimiser leur impact. L'objectif de cette étude est d'identifier la pression pariétale turbulente excitant une structure à partir d'une méthode inverse vibratoire RI (Résolution Inverse) et de ses variantes RIFF (Résolution Inverse Filtrée Fenêtrée) et RIC (Résolution Inverse Corrigée). Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées au domaine aéronautique. L'influence de la vitesse de l'écoulement sur la partie acoustique de l'excitation et la difficulté rencontrée pour identifier la totalité de la pression responsable de la vibration de la structure sont mises en avant.Dans un second temps, une application des méthodes au domaine naval est proposée. La capacité des méthodes à isoler la composante acoustique de l'excitation est mise en avant à travers des simulations. L'influence du couplage fluide-structure est étudiée et une méthode permettant de le prendre en compte est présentée. La potentialité de la méthode RIC est confirmée à travers une campagne de mesure réalisée à la DGA Techniques Hydrodynamiques.

Atherosclerosis is the underlying cause of many cardiovascular diseases. Plaque rupture is a serious complication of advanced atherosclerosis, leading to life-threatening consequences. The mechanisms of atherosclerotic plaque progression and formation have been widely studied. However, due to the complexity of the process, plaque rupture mechanisms are still poorly understood. In this thesis, the innovative technical approach to measure the adhesive strength developed previously, will be applied to mice. It includes a micro-scale peel experiment protocol to measure adhesive strength of mouse atherosclerotic plaques during delamination from the underlying vessel wall. Our team at USC was the first to perform these types of measurements on mice. Another innovation of our work will involve application of a cohesive zone model to describe delamination behavior of atherosclerotic plaques under a range of physiological and pathophysiological conditions, using a 2D numerical model. While the cohesive zone approach has been widely used to model fracture mechanics, it was rarely applied to describe failure of atherosclerotic plaques. The study of plaque delamination (Leng.2015) was designed to test the use of cohesive zones by implementing a specific traction separation law, assuming the parameter values of the behavior laws of the plaque and the cohesive zone using values from the literature. Innovation in our approach is to use a simple traction separation law to study the behavior of plaques and identifying their properties. Experimental results of delamination of the plaques were used in the definition of traction-separation laws of the cohesive zone., La rupture de plaque athérosclérotique est une complication grave, menant à des conséquences mortelles. En raison de la complexité du processus, les mécanismes de rupture de la plaque sont encore mal connus. Dans cette thèse, l'approche technique innovante pour mesurer la force d'adhérence développée précédemment sera appliquée à des souris. Elle comprend un protocole de délamination à petite échelle pour mesurer la résistance adhésive des plaques d'athérosclérose. Notre équipe à USC a été la première à effectuer ce type de mesures sur des souris. Une autre innovation de notre travail impliquera l'application d'un modèle de zone cohésive pour décrire le comportement de délamination des plaques athérosclérotiques dans une gamme de conditions physiologiques et physiopathologiques, en utilisant un modèle numérique 2D. Bien que l'approche de la zone cohésive ait été largement utilisée pour modéliser la mécanique des fractures, elle a rarement été appliquée pour décrire la rupture des plaques athérosclérotiques. L'étude de la délamination des plaques (Leng.2015) a été conçue pour tester l'utilisation de zones cohésives en mettant en œuvre une loi de séparation de traction spécifique, en supposant les valeurs des paramètres des lois de comportement de la plaque et de la zone cohésive en utilisant des valeurs de la littérature. L'innovation dans notre approche est d'utiliser une simple loi de séparation de la traction pour étudier le comportement des plaques et identifier leurs propriétés. Des résultats expérimentaux de délamination des plaques ont été utilisés dans la définition des lois de traction-séparation de la zone cohésive.

Elastic compression of the leg is a widely used treatment in case of pathologies related to venous insufficiency. Its benefits are not to be proven, but still, for some patients, the therapeutic goal is not reached. One goal of this treatment is to reduce transmural pressure applied to veins in order to restore or increase blood return to the heart by the transmission of the external pressure through soft tissues. This is a complex mechanism that can be predicted by patient-specific finite element models. To be patient-specific, these models must take into account the geometry and the distribution of mechanical properties of each subject.In this study, two methodologies are developed to identify the mechanical properties of soft tissues. First, the elastic modulus distribution inside the superficial soft tissues is measured by shear wave ultrasound elastography. Second, the mechanical properties of deep soft tissues are identified through an inverse method combining the data acquired from an experimental localized compression of the leg to a bi-dimensional finite element model.These two methodologies allow to evaluate the mechanical properties heterogeneity from the skin to the fascia cruris and to characterize the non-linear behaviour of deep soft tissues. Finally, the results from both methodologies are brought together to generate a biomechanical model of the leg under elastic compression to predict pressure distribution inside soft tissues for four healthy subjects., La compression élastique de la jambe est le traitement de référence des pathologies liées à l’insuffisance veineuse. Bien que l’efficacité ne soit plus à prouver, les objectifs thérapeutiques restent non atteints pour certains patients. Un objectif de la compression élastique est la réduction de la pression pariétale des veines afin de rétablir ou d’augmenter le retour du sang vers le cœur par une transmission de pression au travers des tissus mous. Ce mécanisme est complexe et peut être prédit par des modèles éléments finis personnalisés. Pour être personnalisés, ces modèles doivent prendre en compte la géométrie et la carte des propriétés mécaniques du sujet.Dans cette étude, on développe deux méthodologies permettant d’identifier les propriétés mécaniques des tissus mous. Dans un premier temps, on mesure par élastographie ultrasonore par onde de cisaillement la distribution du module élastique au sein des tissus mous superficiels. Dans un deuxième temps, on identifie par une méthode inverse les propriétés mécaniques des tissus mous profonds. Cette méthode associe l’acquisition de données d’un essai expérimental de compression localisée de la jambe à un modèle éléments finis bidimensionnel. Ces deux méthodologies nous permettent d’évaluer l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la peau au fascia cruris et de caractériser le comportement non-linéaire des tissus mous profonds. Enfin, les résultats de ces deux méthodologies sont couplés afin de générer un modèle biomécanique de la jambe sous compression élastique pour prédire la distribution de pression au sein des tissus mous pour quatre sujets sains.

The behavior law is an essential element of the mechanical characterization of materials. To identify the material behavior several experimental methods can be used such as (static traction, Hopkinson bars ...) that allow to obtain mechanical laws applied under well-defined conditions, i.e. on homogeneous and bulk materials. However, do to the rising cost of these tests and their specific sample geometry, their use is limited and does not allow to probe and measure all types of materials (like coatings or porous materials....). Moreover, a broad knowledge of their properties allows a more accurate simulation of their behavior in working process. Behavior laws appropriate for bulk material do not always fit to process modeling shot peening, due to surface deformation. The main objective of this study is to develop a simple, rapid method for identifying the local behavior of materials under dynamic conditions, in order to characterize surfaces under impact loading. An inverse method has been developed to identify the behavior of materials using a combination of numerical and experimental approaches of repeated impact tests. The behavior laws obtained by the inverse method must be further investigated due to missing comparison data in literature. A comparison with an analytical method based on the theory of indentation must be carried out for more accuracy. In order to validate the efficiency of the inverse method and the analytical method, numerical blind tests wereconducted, then applications on industrial and ideal materials have been carried out to determine the limits., La loi de comportement est un élément essentiel de la caractérisation mécanique des matériaux. Pour pouvoir identifier le comportement d'un matériau, il existe plusieurs méthodes expérimentales (traction statique, barres d'Hopkinson) qui permettent d'obtenir des lois mécaniques applicables dans des conditions bien définies et le plus souvent sur des matériaux massifs homogènes. La plupart de ces essais sont de plus couteux et exigent le plus souvent des géométries d'échantillons spécifiques. L'utilisation de ces tests reste limitée et ne permet pas d'analyser tous les types de matériaux comme les revêtements ou les matériaux poreux... par exemple. Or ces matériaux eux aussi nécessitent aujourd'hui une connaissance fine de leurs propriétés afin de permettre une simulation au plus juste de leur comportement en service. Les lois de comportement établies à l'échelle d'un matériau massif ne répondent également que partiellement aux besoins de modélisation de certains procédés detraitement mécanique de surface comme par exemple le grenaillage, car elles ne prennent pas en compte les effets de la surface. L'objectif principal de cette étude est de développer une méthode à la fois rapide et facile pour pouvoir identifier le comportement local des matériaux sous condition dynamique, afin de pouvoir caractériser les surfaces soumises à des sollicitations de type chocs. Pour atteindre cet objectif, une méthode inverse a été développée pour identifier le comportement des matériaux à l'aide d'une combinaison d'approche expérimentale et numérique d'essais d'impacts répétés. Les lois decomportements obtenues à l'aide de cette méthode inverse restent sujettes à caution car difficile à comparer à des valeurs de référence par manque de données dans la littérature. Pour cette raison ces lois seront ensuite comparées avec une méthode analytique inspirée de la théorie de l'indentation. Afin de valider l'efficacité de la méthode inverse et de la méthode analytique, des essais numériques à l'aveugle ont été menés, ensuite des applications sur des matériaux modèles et industriels ont été réalisées pour déterminer les limites des méthodes.

National audience; The present study focuses on the identification of heterogeneous elastoplastic properties of a material from full-field measurements. An inverse method is used to identify on the one hand the material parameters and on the other hand the stress field. An application to a composite structure submitted to tension is presented to show the feasibility of the method. Finally, the robustness of the method is tested towards initial set of parameters, mesh and noise measurements where Gaussian perturbations were added to displacements values to simulate an experimental errors.; La présente étude porte sur l'identification des propriétés élastoplastiques hétérogènes d'un matériau à partir de mesures de champs cinématique. Une méthode inverse est mise en oeuvre afin d'identifier d'une part les paramètres matériaux (3 élastiques et 2 plastiques) et d'autre part le champ de contrainte. Un exemple sur une structure en matériaux composite est présenté en détails afin de montrer la faisabilité de l'approche. La robustesse vis-à-vis des données initiales, maillages et du bruit est étudiée.

International audience; Une méthode d'identification des coefficients aérodynamiques d'un projectile gyrostabilisé, à partir de données de vol, est proposée. Le modèle balistique utilisé pour représenter le vol du projectile est celui du Point Matériel Modifié (PMM). La technique d'identification est basée sur des problèmes d'optimisation non linéaire sous contraintes. Les coefficients aérodynamiques variant au cours du vol puisqu'ils dépendent du nombre de Mach et de l'obliquité, un fenêtrage temporel est donc réalisé de sorte à considérer les coefficients constants sur chaque intervalle de temps.

International audience; L'identification des sources vibro-acoustiques sur un GMP (Groupe Moto-Propulseur) reste aujourd'hui un sujet d'actualité pour pouvoir agir sur les causes du bruit. Pour cela, les acousticiens disposent de méthodes expérimentales d'identification et peuvent utiliser des outils de simulation numérique. Le développement de la simulation, dont l'intérêt à long terme est de réduire les prototypes physiques coûteux, passe par une étape indispensable de comparaison entre les essais et les calculs. Seulement, les principales méthodes expérimentales d'identification de sources acoustiques utilisées aujourd'hui en automobile ne sont pas assez précises, notamment en termes de localisation, pour permettre une telle corrélation. C'est dans ce contexte que la méthode présentée ici, nommée M-iPTF pour inverse Patch Transfer Functions with Mixed boundary conditions, a été développée. Grâce à un couplage de données expérimentales et numériques, elle est capable de reconstruire, à partir de mesures acoustiques, le champ de vitesse normale à la surface même de pièces de géométries complexes. Cet article présente la théorie sur laquelle s'appuie la méthode, en particulier l'application de l'identité de Green sur une cavité fictive entourant la source, sa validation numérique complète et une application expérimentale. Mots clés: identification de source, reconstruction de champs vibratoires, méthode inverse, inverse Patch Transfer Functions method.

The behavior law is an essential element of the mechanical characterization of materials. To identify the material behavior several experimental methods can be used such as (static traction, Hopkinson bars ...) that allow to obtain mechanical laws applied under well-defined conditions, i.e. on homogeneous and bulk materials. However, do to the rising cost of these tests and their specific sample geometry, their use is limited and does not allow to probe and measure all types of materials (like coatings or porous materials....). Moreover, a broad knowledge of their properties allows a more accurate simulation of their behavior in working process. Behavior laws appropriate for bulk material do not always fit to process modeling shot peening, due to surface deformation. The main objective of this study is to develop a simple, rapid method for identifying the local behavior of materials under dynamic conditions, in order to characterize surfaces under impact loading. An inverse method has been developed to identify the behavior of materials using a combination of numerical and experimental approaches of repeated impact tests. The behavior laws obtained by the inverse method must be further investigated due to missing comparison data in literature. A comparison with an analytical method based on the theory of indentation must be carried out for more accuracy. In order to validate the efficiency of the inverse method and the analytical method, numerical blind tests wereconducted, then applications on industrial and ideal materials have been carried out to determine the limits., La loi de comportement est un élément essentiel de la caractérisation mécanique des matériaux. Pour pouvoir identifier le comportement d'un matériau, il existe plusieurs méthodes expérimentales (traction statique, barres d'Hopkinson) qui permettent d'obtenir des lois mécaniques applicables dans des conditions bien définies et le plus souvent sur des matériaux massifs homogènes. La plupart de ces essais sont de plus couteux et exigent le plus souvent des géométries d'échantillons spécifiques. L'utilisation de ces tests reste limitée et ne permet pas d'analyser tous les types de matériaux comme les revêtements ou les matériaux poreux... par exemple. Or ces matériaux eux aussi nécessitent aujourd'hui une connaissance fine de leurs propriétés afin de permettre une simulation au plus juste de leur comportement en service. Les lois de comportement établies à l'échelle d'un matériau massif ne répondent également que partiellement aux besoins de modélisation de certains procédés detraitement mécanique de surface comme par exemple le grenaillage, car elles ne prennent pas en compte les effets de la surface. L'objectif principal de cette étude est de développer une méthode à la fois rapide et facile pour pouvoir identifier le comportement local des matériaux sous condition dynamique, afin de pouvoir caractériser les surfaces soumises à des sollicitations de type chocs. Pour atteindre cet objectif, une méthode inverse a été développée pour identifier le comportement des matériaux à l'aide d'une combinaison d'approche expérimentale et numérique d'essais d'impacts répétés. Les lois decomportements obtenues à l'aide de cette méthode inverse restent sujettes à caution car difficile à comparer à des valeurs de référence par manque de données dans la littérature. Pour cette raison ces lois seront ensuite comparées avec une méthode analytique inspirée de la théorie de l'indentation. Afin de valider l'efficacité de la méthode inverse et de la méthode analytique, des essais numériques à l'aveugle ont été menés, ensuite des applications sur des matériaux modèles et industriels ont été réalisées pour déterminer les limites des méthodes.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La méthode SWEAM est une méhode inverse qui a été développée pour caractériser, à l'aide d'une antenne microphonique, le champ acoustique rayonné par un rail soumis aux excitations générées par le passage d'un véhicule ferroviaire. La méthode présente des limites lorsque les ondes vibratoires dans le rail sont faiblement atténuées et peine à séparer les amplitudes des champs correspondant à des excitations trop proches sur le rail. Dans cet article, l'utilisation d'un critère prenant en compte plusieurs positions d'antenne est proposée pour améliorer les performances de la méthode. Les résultats de simulations dans différentes configurations de positions d'antenne sont comparés. Il apparaît que l'utilisation de plusieurs positions améliore considérablement les performances de la méthode, tant du point de vue de l'estimation des atténuations que de la capacité à séparer les différentes excitations.

Publié suite au congrès Association Française de Mécanique (AFM) : Identification des propriétés mécaniques à partir de mesures de champs, Clermont-Ferrand : France (2002); National audience; La variation de viscosité de l'huile en fonction de la pression conditionne le comportement des systèmes mécaniques lubrifiés. Une stratégie de caractérisation de la piézoviscosité basée sur des techniques d'analyse d'images et une identification numérique fine est développée en deux temps. Tout d'abord, l'identifiabilité de la piézoviscosité est analysée, dans un cadre de moindres carrés, à partir de données viscosité-pression pour trois modèles rhéologiques (Barus, Roelands et WLF). Des difficultés numériques d'identification dues à la grande variation des ordres de grandeurs des paramètres et des viscosités sont constatées. La solution apportée est un algorithme de Levenberg-Marquardt amélioré par des techniques de mises à l'échelle et une prise en compte de bornes sur les paramètres. La non-identifiabilité du modèle WLF à température constante est prouvée. Puis, la procédure d'identification de piézoviscosité est appliquée à des champs de hauteur du lubrifiant et de pression simulés et bruités. L'identification procède par minimisation du résidu global des équations de Reynolds. Une technique de lissage et dérivation des champs de mesures, basée sur une approximation polynomiale locale est présentée. Les paramètres estimés à partir des champs bruités ont une précision de l'ordre de 5 %. -------------------------------------------------------------------------- In order to design better mechanisms, the piezoviscosity, i.e., the sensitivity of lubricant viscosity to pressure changes, needs to be accounted for. A strategy for identifying piezoviscosity based on image analysis and numerical identification is devised in two steps. Firstly, the identifiability of three piezoviscosity models (Barus, Roelands and WLF) is analyzed by minimizing a least squares distance between pressure-viscosity responses. Numerical difficulties stem from magnitude differences between parameters and from the wide range of viscosity/pressure values. A strategy based on an improved Levenberg-Marquardt algorithm is proposed. Improvements concern respect of parameter bounds and scaling. The non-identifiability of the WLF piezoviscosity model at constant temperature is proved. Secondly, the piezoviscosity identification strategy is applied to data for noisy lubricant thickness and pressure fields. In this case, piezoviscosity can be recovered by minimizing the Reynolds equations residual globally in the field. A method for smoothing and numerical differentiation of the measurements is described. It is based on building a local polynomial approximation to the field. Using noisy field measurements, piezoviscosity parameters are finally estimated within 5% accuracy.

EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.; EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes.

This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.; Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis.

Jet impingement quenching is one of the key steps among the heat treatments undergone by seamless steel tubes. By controlling the steel microstructural evolutions, the heat treatment leads to specific mechanical properties which are required by the use of the tubes in extreme environment (new generation of power plants, deep drilling,…) During the quenching, complex phenomena occur both at the pipe surface and within the material. The latter (thermal diffusion – phase transformations – stress – strain) are indeed closely related to the hydraulic and thermal mechanisms occuring on the surface. All these phenomena and their interconnection must be perfectly understood and controlled to prevent the appearance of quenching defects such as tube bending and quench cracks and to get the desired metallurgical phases. To achieve this goal we have adopted a two-stage approach. Firstly, using two innovative cooling experimental devices, including a rotating Ni201 cylinder preheated up to 600°C, we have studied the effect of several operating parameters on thermal transfer: subcooling, jet velocity, velocity of the displacement of the cooled surface, direction and impact angle of the jet. Following these sets of experiments, new correlations predicting the maximum of wall heat flux density have been proposed. These correlations take into account the wall motion. Besides this experimental work, we have undertaken numerical simulations of the experimental configuration using the CFD software Fluent. However, simulating all the thermal transfer regimes, particularly the boiling regime and their transitions is still challenging when using the default encoded boiling models; we were unable to successfully complete this work. In a second step, we have built an experimental device allowing heterogeneous quenching of a 42CrMo4 steel tube by an impinging water jet. During the quenching, the tube temperature at different locations and vertical displacement evolutions were recorded. In addition, data obtained from high-speed camera recordings allowed us to monitor the evolution of the rewetting front at the onset of cooling. Numerical simulations of these experiments were conducted in order to compute the time evolutions of temperature, phase transformations, stress and strain throughout the steel tube. To this end we used the finite element calculation software Sysweld, which includes a predictive model for the kinetics of phase transformations called PhaseRC. Using bibliographic data and some laboratory experimental characterizations, we were able to build a set of thermo-physical, metallurgical and thermo-mechanical data needful for these calculations. The simulation results have allowed to understand well the bending evolution of the tube during cooling, considering the thermal gradients and the progress of the phase transformation. Comparison of the simulation results with those obtained from measurements has shown discrepancies that we have tried to explain. Some suggestions have been given for the progress of the work accomplished during this thesis, La trempe à eau par jet impactant est une étape clé des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le contrôle des évolutions microstructurales de l'acier, de conférer des propriétés mécaniques élevées, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extrêmes (nouvelles générations de centrales électriques, forages très profonds,…). En cours de trempe, des phénomènes complexes se produisent à la fois en surface des tubes et au sein du matériau. Les mécanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - déformations) sont en effet étroitement liés aux phénomènes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phénomènes et leur couplage requièrent une parfaite compréhension et maîtrise pour anticiper l'apparition de certains défauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de thèse, une démarche en deux temps. Dans un premier temps, à l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 préchauffé à 600°C, nous avons étudié les effets de plusieurs paramètres opératoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de déplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles corrélations prédisant la densité de flux maximale échangée en paroi, qui prennent en compte la mobilité de la paroi, ont été proposées. En parallèle de ces expérimentations, nous avons entrepris la simulation numérique de la configuration expérimentale en utilisant le code de mécanique des fluides Fluent. Cependant la difficulté rencontrée pour simuler, à partir des modèles d'ébullition disponibles par défaut dans le code, l'ensemble des régimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu être surmontée. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif expérimental de refroidissement hétérogène d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la génératrice supérieure. La température du tube (en plusieurs points) et le déplacement vertical en son milieu étaient mesurés lors des essais. De plus, des visualisations à l'aide d'une caméra rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout début de trempe. En parallèle, nous avons réalisé des simulations de ces expériences pour calculer les évolutions de température, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes et des déformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilisé le code de calcul par éléments finis, Sysweld, auquel est intégré le modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de paramètres thermophysiques, thermométallurgiques et thermomécaniques a été établi en se basant sur des travaux antérieurs et sur des caractérisations expérimentales menées au laboratoire.. L'analyse des résultats des simulations a permis de comprendre l'évolution de la flèche du tube en fonction des gradients de température et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - expérience a mis en évidence des écarts que nous avons tenté d'expliquer. Nous avons proposé des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette thèse