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Modeler la lumière en milieux complexes résonants
No full textThis work presents a theoretical and numerical study of the propagation of light waves through disordered media composed of resonant point-like scatterers. It falls within the framework of the recent development of wavefront shaping techniques, which open up new perspectives for controlling light transport in complex environments.First, we investigate the statistical properties of the transmission matrix as well as those of the dwell time operator of light within a resonant complex medium. The study is conducted in a two-dimensional waveguide under a scalar approximation (TM polarization). We show that the introduction of resonators enables the exploration of different transport regimes — ballistic, diffusive, and localized — by tuning only the frequency of the incident light. The study of the eigenvalue distribution of the transmission matrix across these regimes reveals that it is entirely governed by a mesoscopic parameter, the mean free path, in addition to the system's geometric characteristics. The open and closed channels observed in the diffusive regime are similar to those found in non-resonant media. In the localized regime, the channels of maximal transmission adopt a "necklace" structure, optimizing transmission through the coupling of exponentially localized eigenmodes. Regarding the dwell time operator, whose eigenvalues reflect dynamic aspects of transport, its distribution highlights the impact of the reduced energy propagation speed due to the presence of resonators, thus revealing a phenomenon of light trapping. We further demonstrate that the use of optimized wavefronts significantly enhances both transmission and dwell time.In a second part, we show that the total electromagnetic energy stored in a disordered set of resonators decomposes into two contributions: one associated with radiation, the other with matter. For resonators with high quality factors, the matter energy largely dominates, and their ratio tends toward a universal value in the thermodynamic limit. Using multiple scattering theory, we establish that, in this limit, the energy transport velocity is entirely determined by the ratio between the matter and radiation energies. Finally, the potential for energy deposition modulation is explored via wavefront shaping, an approach that allows manipulation of the dynamic degrees of freedom of the scattered wave by acting solely on its spatial components.As an exploratory study, the case of vector waves is considered to assess the influence of polarization on the transport properties in disordered media.Ce travail présente une étude numérique et théorique de la propagation des ondes lumineuses dans des milieux désordonnés constitués d'obstacles ponctuels résonants. Il s'inscrit dans le cadre du développement récent des techniques de façonnage de fronts d'onde, qui ouvrent de nouvelles perspectives pour le contrôle du transport lumineux dans des environnements complexes.Dans un premier temps, nous étudions les propriétés statistiques de la matrice de transmission ainsi que celles de l'opérateur de temps de séjour de la lumière au sein d'un milieu complexe résonant. L'analyse est réalisée dans un guide d'onde bidimensionnel, en régime scalaire (polarisation TM). Nous montrons que l'introduction de résonateurs permet d'explorer les différents régimes de transport — balistique, diffus et localisé — en modulant uniquement la fréquence de la lumière incidente. L'étude de la distribution des valeurs propres de la matrice de transmission à travers ces régimes révèle qu'elle est entièrement gouvernée par un paramètre mésoscopique, le libre parcours moyen, en plus des caractéristiques géométriques du système. Les canaux ouverts et fermés observés dans le régime diffus sont similaires à ceux des milieux non résonants. En régime localisé, les canaux de transmission maximale adoptent une structure en collier de perles, optimisant la transmission par couplage de modes propres localisés de manière exponentielle. Concernant l'opérateur de temps de séjour, dont les valeurs propres traduisent des aspects dynamiques du transport, sa distribution révèle l'impact de la réduction de la vitesse de propagation de l'énergie due aux résonateurs, mettant ainsi en évidence un phénomène de piégeage lumineux. Nous démontrons finalement que l'utilisation de fronts d'onde optimisés permet d'accroître significativement à la fois la transmission et le temps de séjour.Dans un second temps, nous montrons que l'énergie électromagnétique totale stockée dans un ensemble désordonné de résonateurs se décompose en deux contributions : l'une associée au rayonnement, l'autre à la matière. Pour des résonateurs de haut facteur de qualité, l'énergie de matière domine nettement, et leur rapport tend vers une valeur universelle dans la limite thermodynamique. À l'aide de la théorie de la diffusion multiple, nous établissons que, dans cette même limite, la vitesse de transport de l'énergie est entièrement déterminée par le rapport entre les énergies de matière et de rayonnement. Enfin, le potentiel de modulation du dépôt d'énergie est exploré via le façonnage de fronts d'onde, approche permettant d'agir sur les degrés de liberté dynamiques de l'onde diffusée en manipulant uniquement ses composantes spatiales.À titre exploratoire, le cas des ondes vectorielles est étudié afin d'évaluer l'influence de la polarisation sur les propriétés de transport dans les milieux désordonnés
Techniques d’apprentissage pour l’optimisation en Ingénierie : outils dirigés par les données pour applications mécaniques et biomédicales
No full textThe present doctoral thesis encompasses a series of case studies in various fields of Engineering and Medicine, whose common points are their conceptual and computational complexity and thus compromise the availability and reliability of experimental data supporting their corresponding constituent models, if existent at all. Often times, such models based on analytic expressions suffer from computationally unreachable complexity ("curse of dimensionality") and/or are burdened by biases and vagueness induced in their definition (e.g. non-observable internal variables).There are various proven and widely used methodological solutions allowing the avoidance or reduction of the effect of such problems by building models based mostly on observed data, as opposed to preconceived expressions, yielding the so-called surrogate models. These techniques include Model Order Reduction (MOR) and Artificial Intelligence (AI), or more specifically Machine Learning (ML). The latter consists in redefining the complete model as a version with somewhat lower resolution but reduced computational cost, for which methods such as Proper Orthognal/Generalized Decomposition (POD/PGD) are used. Machine Learning, on the other hand, is based on statistical regressions built upon large databases labeled as "inputs" and "outputs", whose underlying behavior is adjusted in a phase of "training" and evaluated in a subsequent "essay" with new data - i.e. not previously processed. This methodology is commonly enforced by means of neural networks, based (with limitations) on the biological ones in the brain and offering different architectures according to the type of data to be processed: multi-layer perceptron (MLP) for vectors and matrices - locally condensed by convolutions if the database is very large - convolutional networks for images and text (CNN), recurrent (RNN) for time sequences - with long short-term memory (LSTM) if there is historical dependency, or based on graphs (GNN).Graphs as mathematical objects offer many possibilities for the compact representation of data with states as vertices and their relationships as segments. This analogy is directly applicable to the two main case studies tackled in this work, namely mechanical structures (focusing on metamaterials) and biological neuronal networks, being possible in both cases to assimilate nodes/neurons as vertices and bars/axons as segments of a graph. Bearing this in mind, the various needs and challenges of these research fields (complexity, non-linearity, reduced observability, multi-scale and multi-objective optimization, etc.) will be studied using the tools described above, and making new contributions should the current state of the art be limited. To this end, a number of case studies have been devised for various industrial and/or medical applications, and the results of the proposed methodologies upon which have been successfully compared with similar work. Finally, the limitations of the proposed surrogate models have been analysed and some improvements and extensions have been suggested for future developments, with a view to create accurate and efficient replicas for the modelled phenomena (Digital Twins).La présente thèse de doctorat englobe une série de casuistiques dans divers domaines de l’ingénierie et de la médecine dont les points communs sont leur complexité conceptuelle et numérique. Cela compromet à son tour la disponibilité et la fiabilité des données expérimentales qui avalisent leurs modèles constitutifs correspondants, si existants. Souvent, ces modèles basés sur des expressions analytiques souffrent d’une complexité inabordable pour l'ordinateur ("malédiction de la dimensionnalité") et/ou sont alourdis par des biais induits dans leur définition (e.g. variables internes non observables).Il y a plusieurs solutions méthodologiques éprouvées et largement utilisées qui permettent de éviter ou d’atténuer l’effet de ces problèmes en construisant des modèles basés principalement sur des données observées plutôt que sur des expressions préconçues, ce qui donne naissance à des modèles dits substitutifs. Parmi ces techniques, on peut citer la réduction de l’ordre des modèles (MOR) et l’intelligence artificielle (IA), ou plus précisément l'apprentissage automatique (ML). La première consiste à redéfinir le modèle complet comme une version de résolution légèrement inférieure mais coût de calcul réduit, pour lequel on utilise des méthodes telles que la Décomposition Orthogonale ou Générale en valeurs propres (POD/PGD). En revanche, l’apprentissage automatique est basé sur des régressions statistiques provenants de grandes bases de données étiquetées comme "entrées" et "sorties", dont le comportement sous-jacent est ajusté dans une phase de "formation" et évalué dans un "essai" subséquent avec de nouvelles données non traitées précédemment. Cette méthodologie se manifeste principalement par des réseaux neuronaux inspirés (avec limitations) par les réseaux cérébraux, offrant différentes architectures selon le type de données traitées: perceptron multi-couches (MLP) pour vecteurs et matrices - condensées localement par des convolutions si la base de données est très grande - réseaux convolutifs pour les images et le texte (CNN), récurrents (RNN) pour les séquences temporelles - avec mémoire à court terme étendue (LSTM) s’il y a dépendance historique, ou basés sur des graphes (GNN).En tant qu’objet mathématique, les graphes offrent de multiples possibilités pour la représentation compacte de données avec des états comme vertex et leurs interrelations comme segments. Cette analogie s’applique directement aux deux principaux cas d’étude qui concernent ce travail, à savoir les structures mécaniques (centré sur les métamatériaux) et les réseaux neuronaux biologiques, pouvant dans les deux cas assimiler des nœuds/neurones comme vertex et des poutres/axons comme segments d’un graphe. Dans cet esprit, les divers besoins et défis de ces domaines de recherche (complexité, non-linéarité, observabilité réduite, optimisation multi-échelle et multi-objectif, etc.) seront étudiés au moyen des outils décrits ci-dessus, en formulant de nouvelles contributions lorsque l’état actuel de la technique est limité. A cet effet, plusieurs études pratiques ont été conçues pour diverses applications industrielles et/ou médicales et les résultats des méthodologies proposées ont été comparés avec succès à des travaux similaires. Enfin, les limites des modèles substitutifs proposés ont été analysées et quelques points d’amélioration et d’extension suggérés pour de futurs développements, en vue de la création de répliques fidèles et efficaces des phénomènes modélisés (Jumeaux Numériques)
Modélisation musculo-squelettique du tronc et des membres supérieurs : application à l’escrime-fauteuil
No full textThe prevention of musculoskeletal disorders, particularly in the upper limbs, is a crucial health issue for workers, but also for people with disabilities and the elderly. Prevention requires an understanding of the causes. These are multiple and sometimes complex, but the mechanical load at the joints remains one of the first elements to be determined. To this end, musculoskeletal models capable of taking into account the kinematic, dynamic and muscular complexity of the parts concerned (upper limbs and trunk in the context of this work) have been developed and are being continuously improved. From a kinematics point of view, the work developed in this thesis therefore aims to :i) Aggregate the existing models into a single model under a single numerical environmentii) Propose customisation parameters and the associated protocol to determine themiii) Evaluate the personalised models according to their different components, i.e. geometric and kinematic parts.Finally, an application for the prevention of musculoskeletal disorders in para-sportsmen practising para-fencing will be carried out through the study of the dynamic phases of attaque.La prévention des troubles musculosquelettiques, notamment au niveau des membres supérieurs, est un enjeu crucial de santé pour les travailleurs, mais également pour les personnes en situation de handicap, ou encore les personnes âgées. Prévenir nécessite de comprendre les causes. Or celles-ci sont multiples et parfois complexes mais le chargement mécanique supporté par l’articulation reste un des premiers éléments à déterminer. Pour ce faire, des modèles musculosquelettiques capables de prendre en compte la complexité cinématique, dynamique et musculaire des parties concernées (membres supérieurs et tronc dans le cadre de ce travail) ont été développés et sont en continuelle amélioration. En abordant un point de vue cinématique, les travaux développés dans cette thèse s'attachent donc à :i) Agréger les modèles existants dans un même modèle sous un seul environnement numérique) Proposer des paramètres de personnalisation et le protocole associé pour les déterminer) Évaluer les modèles personnalisés suivant les différentes composantes de ceux-ci, i.e. parties géométrique et cinématique. Enfin, une application à visée de prévention des troubles musculosquelettiques chez les para-sportifs pratiquant l’escrime fauteuil sera réalisée à travers l’étude cinématique de l’attaque en coup droit
Développement d'une méthode de détermination en temps réel de la charge en fluide frigorigène et de la performance associée d'une pompe à chaleur
No full textIn a context of strong growth in the residential heat pump (HP) market—a key technology for building decarbonization—the development of predictive maintenance and automatic fault detection is crucial to optimize HP performance and lighten the load for installers/maintainers. Among the faults that are important to detect automatically, refrigerant charge fault is the most significant anomaly in terms of impact on performances. The state-of-the-art review conducted as part of this thesis identified the limitations of existing refrigerant loss assessment methods: they are not accurate enough, too specific to a given system, poorly suited for in-situ implementation, or designed for systems with basic and obsolete controls. This thesis therefore aims to improve or develop a quantitative early leakage detection method for residential HPs that addresses the shortcomings of existing methods. Based on a detailed modeling of refrigerant charge distribution across the different components and an experimental study in climate chambers, this research has highlighted the limitations of existing methods when applied to contemporary systems, and has led to the development of new statistical methods for quantifying refrigerant charge. The most promising method is based on predicting the refrigerant vapor quality at the evaporator inlet. In an experimental study conducted on a 6 kW HP containing 70 % to 110 % of its nominal charge (1.3 kg of R32), this method was able to determine the refrigerant charge with an error of 2-3 %.Dans un contexte de forte croissance du marché des pompes à chaleur (PAC) résidentielles, technologie clé de la décarbonation des bâtiments, le développement de la maintenance prédictive et de la détection automatique des défauts est crucial pour optimiser les performances des machines et alléger la charge de travail des installateurs/mainteneurs. Parmi les défauts à détecter préventivement, la perte de charge en fluide frigorigène est l'anomalie la plus importante en termes d'impact sur les performances. L’état de l’art réalisé dans le cadre de cette thèse a permis d’identifier les limites des méthodes existantes de quantification des pertes de charge : elles ne sont pas assez précises, trop spécifiques à un système donné, peu adaptées à une mise en œuvre in situ, ou concernent des systèmes à la régulation basique et désormais obsolète. Cette thèse vise donc à améliorer ou développer une méthode de détection de fuites précoces quantitative pour les PAC du secteur résidentiel, qui comble les lacunes des méthodes existantes. Basée sur une modélisation détaillée de la répartition de la charge en fluide frigorigène dans les différents composants et sur une étude expérimentale en enceintes climatiques, cette étude a mis en évidence les limites des méthodes existantes appliquées à des systèmes contemporains, et permis le développement de nouvelles méthodes statistiques de quantification de la charge. La plus prometteuse est basée sur la prédiction du titre vapeur du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur. Lors d’une étude expérimentale sur une PAC de 6 kW contenant de 70 à 110% de sa charge nominale (1.3 kg de R32), cette méthode a permis de déterminer la charge en fluide frigorigène avec une erreur de 2-3 %
Elaboration et stabilité chimique de matériaux intelligents à base de polyacrylamides : modélisation de leur capacité de libération contrôlée de principes actifs
No full textPoly(N-isopropylacrylamide)-based hydrogels (PNIPAm) are part of the so-called smart excipients due to their potential in controlled drug release applications. This new generation of synthetic, thermosensitive and biocompatible, but not biodegradable polymers, present a knowledge gap regarding their stability under storage conditions (both thermal and oxidative). As a first step, this research aims to investigate the impact of accelerated aging on macroscopic properties, such as the phase transition temperature (Tcp), as well as on the release of active pharmaceutical ingredients. The chemical complexity of the hydrogels is incrementally increased throughout the studies, beginning with a linear homopolymer of poly(N-isopropylacrylamide), followed by a network of poly(N-isopropylacrylamide) containing N,N'-methylenebisacrylamide, and finally a random linear copolymer of poly(N-isopropylacrylamide)-co-acrylic acid.To understand the mechanisms behind the effects of aging, particular attention is given to macromolecular changes, such as variations in molar masses and the balance between hydrophilic and hydrophobic groups. Accelerated aging studies reveal an increase in the phase transition temperature, primarily due to a decrease in molar mass resulting from chain scission. Linear poly(N-isopropylacrylamide) demonstrates immediate release for antibiotic-type active pharmaceutical ingredients (metronidazole and orbifloxacin), which can be modulated towards controlled release through structural and chemical modifications. For more complex polymers, such as cross-linked networks and copolymers, controlled release with an initial burst release phase is achieved over a 24-hour period. As a direct consequence of aging, structural modifications lead to variations in the release behavior of active pharmaceutical ingredients. Over time, the release slows down, and the overall efficacy of the system diminishes drastically. The introduction of hydrophilic species enhances intra- and inter-chain interactions between polymers and with active ingredients, thereby slowing their release. This work extends our understanding of the stability of poly(N-isopropylacrylamide)-based polymers, allowing for concrete approach of their use as pharmaceutical excipients.Les hydrogels à base de poly(N-isorpopylacrylamide) (PNIPAm) font partie des excipients intelligents, en raison de leurs perspectives d’application à relargage contrôlé. Cette nouvelle génération de polymères thermosensibles synthétiques, biocompatibles mais non biodégradables présente une lacune de connaissance quant à sa stabilité sous conditions de stockage (thermique et oxydatif). Cette recherche se propose, en première approche, d’étudier l’impact du vieillissement accéléré sur les propriétés macroscopiques telles que la température de transition de phase ainsi que sur la libération de principes actifs. Le niveau de complexité chimique des différents hydrogels est incrémenté au fur et à mesure des études, en commençant par un homopolymère linéaire de poly(N-isopropylacrylamide), un réseau de poly(N-isopropylacrylamide) contenant du N,N'-méthylènebisacrylamide) puis un copolymère linéaire aléatoire de poly(N-isopropylacrylamide)-co-acide acrylique.Afin de comprendre les mécanismes à l’origine de l’impact du vieillissement, une attention particulière a été portée aux modifications macromoléculaires, comme l’évolution des masses molaires et la balance entre les groupements hydrophiles et hydrophobes. Les études de vieillissement accéléré montrent une augmentation des températures de transition de phase, principalement dictée par une diminution de la masse molaire résultant de coupure de chaînes.Le poly(N-isopropylacrylamide) linéaire présente une libération immédiate pour des principes actifs de type antibiotiques (métronidazole et orbifloxacine), qu’il est possible de moduler vers une libération contrôlée à travers des modifications structurales et chimiques. Dans le cas des polymères plus complexes (réseau réticulé et copolymère), une libération contrôlée avec un relargage rapide est retrouvée sur une durée de 24 heures. Suite aux vieillissements, la modification structurale a pour conséquence directe une variation du comportement en libération des principes actifs. En effet, cette dernière est ralentie dans le temps et l’efficacité totale du système diminue drastiquement. L’introduction d’espèces hydrophiles favorise les interactions intra- et inter-chaînes des polymères ainsi que des interactions avec les principes actifs, ce qui ralentit leur libération. Ce travail approfondit les connaissances sur la stabilité des polymères à base de poly(N-isoproylacrylamide), ce qui permettra à terme leur utilisation en tant qu’excipients pharmaceutiques
Analyse de cycle de vie comparative de technologies de climatisation des bâtiments
No full textThe building sector significantly impacts global energy consumption and pollutants emissions, particularly through heating and cooling systems. This thesis addresses the urgent need for sustainable development by exploring innovative solutions for indoor thermal comfort and energy efficiency. The research presents a high-efficiency direct expansion air handling unit with heat recovery, capable of controlling temperature and humidity all year-round with one set of equipment. Additionally, a reversible ground-coupled heat pump model was developed to investigate long-term system performance and thermal imbalance concerns. The thesis also proposes a dynamic operational environmental impact assessment method, incorporating high temporal resolution data and real-time performance modelling to enhance the accuracy of life cycle assessment (LCA) for air-conditioning technologies. Furthermore, a dynamic prospective LCA framework was established to compare the energy and environmental performance of novel air- and geothermal-based systems for building temperature and humidity control. The findings highlight the superior environmental performance of geothermal systems and emphasise the importance of integrating clean energy sources. This work provides practical approaches to improve the sustainability of building air-conditioning systems and offers valuable insights for designers, policymakers, and LCA practitioners.Le secteur du bâtiment a un impact important sur la consommation d'énergie et les émissions mondiales de polluants, particulièrement à travers les systèmes de chauffage et de refroidissement. Cette thèse aborde le besoin urgent de développement durable en explorant des solutions innovantes pour le confort thermique intérieur et l'efficacité énergétique. Elle présente une unité de traitement d'air à détente directe, haute efficacité, avec récupération de chaleur, capable de réguler température et humidité toute l'année avec un seul équipement. De plus, un modèle de pompe à chaleur géothermique réversible a été développé pour étudier la performance à long terme et les problèmes de déséquilibre thermique. La thèse propose aussi une méthode d'évaluation dynamique des impacts environnementaux opérationnels, intégrant des données à haute résolution temporelle et une modélisation en temps réel pour améliorer la précision des évaluations du cycle de vie (ACV) des technologies de climatisation. Enfin, un cadre prospectif d'ACV a été établi pour comparer la performance énergétique et environnementale des systèmes innovants basés sur l'air et la géothermie pour le contrôle de la température et de l'humidité des bâtiments. Les résultats montrent la performance environnementale supérieure des systèmes géothermiques et l'importance des sources d'énergie propres. Ce travail fournit des approches pratiques pour améliorer la durabilité des systèmes de climatisation des bâtiments et offre des perspectives utiles pour les concepteurs, décideurs et praticiens de l'ACV
Evolution microstructurale de l'acier 316L élaboré par fabrication additive (LPBF et WAAM) et influence sur son comportement à rupture
No full textThis thesis investigates the relationships between the microstructure and fracture behavior of austenitic 316L stainless steels produced by two additive manufacturing processes. To this end, several microstructures were manufactured using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) processes. Various heat treatments were then applied to the consolidated samples, with the aim of developing their microstructures in a controlled manner (stress relieving, homogenization, recrystallization). A particular attention was paid to the recrystallization kinetics of these steels, which are very different from those observed in conventional 316L steels. Finally, the materials were tested for impact and/or fracture toughness.In the case of 316L steel produced using the LPBF process, a comparative study of deformation and fracture mechanisms enabled to determine the influence of microstructural features on the impact and fracture toughness behavior. Among these features, the nanometric oxides present in these materials at the end of the manufacturing process appeared to have a significant influence on fracture mechanisms, the latter occurring through decohesion at the oxide/matrix interfaces. After recrystallization, ripening of these oxides at recrystallized grain boundaries led to a significant drop in resistance to crack initiation and propagation. Correlations between impact toughness and fracture toughness have been established. The low-temperature impact toughness values (down to - 193°C) of various microstructures were compared with those of 316L steels either wrought or produced by hot isostatic pressing. As these trends appeared similar, it was concluded that the microstructural features specific to LPBF 316L steel did not have any significant influence on the sensitivity of its impact toughness to temperature.Regarding the WAAM-manufactured 316L steel, a more limited experimental campaign, based on the results obtained after LPBF, was used to determine the influence of microstructural features on the fracture behavior. Fracture mechanisms similar to those of LPBF 316L were observed: failure occurred by decohesion of the oxide (in this case submicrometer-sized) / matrix interfaces. Conversely, recrystallization treatments were beneficial to the impact toughness of this steel, as they did not induce the localization of oxides at grain boundaries. Lastly, the δ-ferrite present in the microstructure of as-built WAAM 316L induced brittle fracture of the material at - 193°C.Ces travaux de thèse portent sur les relations microstructure - comportement à rupture d'aciers inoxydables austénitiques 316L élaborés par deux procédés de fabrication additive. Dans cette optique, plusieurs microstructures ont été élaborées par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) et le procédé arc-fil (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM). Différents traitements thermiques ont ensuite été appliqués aux échantillons consolidés, dans le but de faire évoluer leurs microstructures de manière contrôlée (détensionnement, homogénéisation, recristallisation). Une attention particulière a été portée aux cinétiques de recristallisation de ces aciers, très différentes de celles observées dans les aciers 316L conventionnels. Enfin, les matériaux ont été testés en résilience et/ou en ténacité.Dans le cas de l'acier 316L élaboré par procédé LPBF, l'étude comparative des mécanismes de déformation et de rupture a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement en résilience et en ténacité. Parmi ces éléments, les oxydes nanométriques présents dans ces matériaux en sortie de fabrication semblent avoir une influence significative sur les mécanismes de rupture, cette dernière intervenant par décohésion des interfaces oxyde / matrice. Après recristallisation, le mûrissement de ces oxydes aux joints des nouveaux grains recristallisés mène à une baisse significative de la résistance à l'amorçage et à la propagation de fissure. Des corrélations entre résilience et ténacité ont été établies. L'évolution de la résilience à basse température (jusqu'à - 193 °C) de différentes microstructures ont été comparées à celles d'aciers 316L forgés ou élaborés par compaction isostatique à chaud. Ces évolutions apparaissant similaires, il est conclu que les éléments de microstructure particuliers à l'acier 316L LPBF n'apparaissent pas avoir d'influence significative sur la sensibilité de sa résilience envers la température.Concernant l'acier 316L élaboré par procédé WAAM, un plan d'expérience plus restreint, établi sur la base des résultats obtenus après LPBF, a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement à rupture. Des mécanismes de rupture similaires à ceux des aciers 316L LPBF de l'étude ont été observés : rupture par décohésion des interfaces oxydes (ici de tailles submicrométriques) / matrice. A l'inverse, les traitements de recristallisation s'avèrent bénéfiques sur la résilience de cet acier, ceux-ci n'induisant pas la localisation des oxydes aux joints de grains. Enfin, la ferrite δ présente dans la microstructure de l'acier 316L WAAM brut de fabrication induit une rupture fragile du matériau à - 193 °C
Effet du flux et du confinement sur les auto-assemblages hydro-élastiques
No full textWhile static elasto-capillary structures have been experimentally and theoretically well studied, the path towards equilibrium is less well understood. Yet a better understanding of the self-assembling dynamics of such structures could help modelling more complex industry-oriented systems such as the rheology of reinforced materials or biology-oriented like the self-assembly of the mitotic spindle. In this thesis, the impact of flow and confinment on fluid/fibres self-assembly in microfluidic chips is demonstrated. We first present a method of producing well-controlled slender ribbons by photoextrusion at microscale. A modelling to compute their expected length as a function of the exposure time is also presented. To do so, the pressure drop and flow rate induced by the presence of a moving fibre in a highly confined geometry was approximated. The combination of a hydro-electric analogy with Newton’s law allowed to compute the extrusion length as a function of the exposure time and the imposed pressures in the system. The experiments and our theoretical predictions showed a good agreement. In a second part we present a phenomenon that arises in droplet/fibre pairs in the presence of surrounding flow. It is shown that a fibre partially attached to a confined and moving droplet will retract parallel to the surrounding flow. The retraction velocity can be estimated by considering the dissipations induced by the capillary retraction in both the carrier and the dispersed phase. The results of the model show that the retraction dynamics critically depends on whether the fibre retracts in the direction of the surrounding flow in spite of sharing the same physics. In an extended perspective, a chapter concerning a microfluidic, fibre buckling instability is presented. Specifically, a slender ribbon of very high aspect ratio extruded in a confined microfluidic stable jet. Strikingly, a plethora of buckling modes are presented. These modes depend on the width of the jet, the bending and capillary restoring forces as well as the viscous friction along the fibre.Tandis que l’équilibre des structures élasto-capillaires a été expérimentalement et théoriquement bien étudié, le chemin vers cet état d’équilibre est moins connu. Cependant, une meilleure compréhension de l’auto-assemblage dynamique de telles structures permettrait de modéliser des systèmes plus complexes orientés vers l’industrie comme la rhéologie de matériaux renforcés, ou orientés vers la biologie comme l’auto-assemblage du fuseau mitotique. Dans cette thèse, nous présentons les effets du flux et du confinement sur les auto-assemblages fluide/fibre dans des puces microfluidiques. Dans un premier temps, nous présentons une manière de produire par photo-extrusion de minces rubans de géométrie contrôlée à l’échelle micrométrique ainsi que le modèle permettant d’estimer la longueur d’extrusion en fonction du temps d’exposition. Pour réaliser cela nous avons estimé la chute de pression ainsi que le débit de fluide induits par la présence d’une fibre en mouvement dans une géométrie à haut degré de confinement. Nous avons ensuite utilisé une analogie hydro-électrique combinée aux lois de Newton pour calculer la longueur d’extrusion du ruban en fonction du temps d’exposition et des pressions imposées dans le système. Nos prédictions théoriques représentent fidèlement nos mesures expérimentales. Dans une deuxième partie, nous présentons un phénomène qui émerge dans des paires goutte/fibre en présence d’un flux environnant. Nous montrons qu’une fibre partiellement immergée dans une goutte confinée en mouvement se rétracte à l’intérieur de la goutte parallèlement au flux environnant. La vitesse de rétraction peut être estimée en considérant les dissipations présentes dans les phases continue et disperse. De plus, nous montrons que la dynamique de rétraction est différente en fonction du sens de rétraction de la fibre comparativement à la direction du flux environnant, bien que la physique soit la même. Dans une perspective étendue, nous présentons nos travaux sur le flambage d’une fibre dans une puce microfluidique. Plus précisément, un mince ruban de grand rapport d’aspect est extrudé dans un jet microfluidique stable. Une grande variété de modes de flambage dépendant de la largeur du jet, de la restauration induite par les efforts de flexion et capillaires ainsi que des frottements visqueux le long du ruban est présentée
Étude du contact mécanique et électrique réalisé par hybridation de micro-tubes oxyde et de nano-inserts
No full textFlip chip assembly of fine pixel pitch photonic components, which are particularly sensitive because they are made of heterogeneous materials, encounters several technological issues linked to the use of traditional process including temperature (thermocompression, soldering, etc.). Assembly by insertion at room temperature using interconnections whose manufacture is compatible with traditional foundry processes, therefore proves to be a suitable solution to these problems. The aim of this PhD thesis is to develop this assembly process by implementing and optimising two innovative interconnection technologies: oxide microtubes and nanoinserts. To this end, the assembly of 10 µm pitch oxide microtubes and their electrical conductivity in service were modelled using finite elements. Experiments relating both assembly force and electrical resistance to the insertion depth of the interconnections made it possible to validate the simulated results. The design of the interconnections was then optimised numerically in order to of improve their performance. The models also highlight the benefit of developing nanoinserts with specific dimensions. They were successfully manufactured at pitches ranging from 10 µm to 2 µm.L’assemblage flip-chip de composants photoniques à faible pas pixel, particulièrement sensibles car constitués de matériaux hétérogènes, rencontre de nombreux verrous technologiques liés à l’utilisation de procédés traditionnels impliquant une montée en température (thermocompression, brasage, etc.). L’assemblage par insertion à température ambiante, à l’aide d’interconnexions dont la fabrication est compatible avec les procédés traditionnels de fonderie, s’avère donc être une solution adaptée à ces problématiques. L’objectif de cette thèse est de développer ce procédé d’assemblage à travers la mise en œuvre et l’optimisation de deux filières innovantes d’interconnexions : les micro-tubes oxyde et les nano-inserts. Pour cela, l’assemblage de micro-tubes oxyde au pas de 10 µm, ainsi que leur conductivité électrique en service, ont été modélisés par éléments finis. Des expériences permettant de relier la force d’assemblage et la résistance électrique à la profondeur d’insertion des interconnexions ont permis de valider les résultats simulés. Le design des interconnexions a ensuite été optimisé numériquement, dans le but d’améliorer leurs performances. Les modèles ont aussi permis de mettre en évidence l’intérêt du développement des nano-inserts et de les dimensionner. Leur fabrication a finalement été réalisée avec succès à des pas allant de 10 µm à 2 µm
Une Approche quantitative de l'exposition fœtale au plomb : développement d'un modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie de la grossesse (p-PBPK) et application aux données de biosurveillance
No full textLead (Pb) is a highly potent neurotoxin, especially for children. A vast epidemiological literature documents the effects of Pb exposure in young children. Pb can cross the placental barrier to induce early fetal exposure. This prenatal exposure is associated with impaired cognitive function in children, resulting in learning problems, decreased intelligence quotient (IQ) and behavioral problems. For obvious ethical reasons, it is not possible to measure Pb concentrations in the fetus during pregnancy. Consequently, a single measurement obtained from umbilical cord blood at delivery is available to assess prenatal exposure. Thankfully, Pregnancy physiologically based pharmacokinetic (p-PBPK) models can be used to simulate prenatal exposures throughout pregnancy. The aim of this thesis is to provide a tool capable of simulating internal fetal exposures, from incomplete data, such as those obtained during biomonitoring campaigns.A literature search was carried out on the impact of pregnancy on the ADME processes of Pb in both the mother and fetus. This research highlighted an increase in maternal bone turnover (i.e. cycle of formation and resorption) during pregnancy. Indeed, urinary markers of bone formation and resorption linearly increase from the 2nd trimester until the end of pregnancy. Furthermore, data on the kinetic of Pb during pregnancy reveal a distinctive U-shaped trend, an initial phase of decrease during the first 4 months followed by a second phase of increase in maternal blood lead levels. The parameter values modeling bone turnover and placental transfer of Pb were calibrated using literature data. The predictive performance of our p-PBPK model was assessed using paired concentrations of Pb in umbilical cord and maternal blood at delivery, demonstrating satisfactory performance between the model predictions and the observed data. A global sensitivity analysis of the model highlighted à strong influence on fetal exposures from the Pb binding to erythrocytes, Pb accumulation in bones and the partition coefficient in the brain.Pb concentrations measured in the umbilical cord at delivery, from the French Longitudinal Study since Infancy (Elfe), were used in the p-PBPK model to simulate Pb concentrations in the fetal brain. Simulations carried out on the Elfe cohort reveal variations in predicted Pb concentrations in fetal brain over the course of pregnancy. By the end of pregnancy, almost half the fetuses in the Elfe cohort had predicted brain concentrations likely to induce in vitro and ex vivo effects on neurodevelopmental.In conclusion, this thesis highlights the potential of p-PBPK models for assessing prenatal exposure. We have demonstrated the ability of our model to simulate fetal exposure indicators, taking into account the physiological mechanisms essential to Pb toxicokinetics during pregnancy. In the future, this model can be coupled with an effect model such as an Adverse Outcome Pathway (AOP) to help predict the effects of Pb on the neurodevelopment of children.Le plomb (Pb) est une neurotoxine très puissante, notamment pour les enfants. Une vaste littérature épidémiologique documente les effets de l'exposition au Pb chez les jeunes enfants. Le Pb est capable de traverser la barrière placentaire pour induire une exposition précoce du fœtus. Cette exposition prénatale est associée à une altération des fonctions cognitives des enfants qui se traduit par des problèmes d'apprentissage, une diminution du quotient intellectuel (QI) et des problèmes de comportement. Pour des raisons d'éthique évidentes, il n'est pas possible de mesurer la concentration de Pb chez le fœtus pendant la grossesse. Ainsi, une seule mesure obtenue dans le sang du cordon ombilical à l'accouchement est disponible pour évaluer l'exposition prénatale. Les modèles pharmacocinétiques basés sur la physiologie de la grossesse (p-PBPK) peuvent être utilisés pour simuler les expositions prénatales tout au long de la grossesse. L'objectif de cette thèse est de fournir un outil capable de simuler les expositions internes du fœtus à partir de données parcellaires, comme par exemple, celles obtenues lors de campagnes de biosurveillance.Une recherche bibliographique a été menée sur l'impact de la grossesse sur les processus ADME du Pb chez la mère et le fœtus. Cette recherche a mis en évidence une augmentation du renouvellement (i.e. cycle de formation et de résorption) de l'os maternel pendant la grossesse. Les marqueurs de la formation et de la résorption de l'os, dosés dans les urines, augmentent linéairement à partir du 2nd trimestre jusqu'à la fin de grossesse. Par ailleurs, les données sur la cinétique du Pb pendant la grossesse chez la mère révèlent une courbe en forme de U : une première phase de diminution lors des 4 premiers mois et suivie d'une seconde phase d'augmentation de la plombémie maternelle. Les valeurs des paramètres modélisant le renouvellement de l'os et le transfert placentaire du Pb ont été calibré à partir des données de la littérature. La performance prédictive de notre modèle a été évaluée en utilisant les rapports de concentrations appariées de Pb dans le sang du cordon ombilical et maternel à l'accouchement, démontrant ainsi une performance satisfaisante entre les prédictions du modèle et les données observées. Une analyse de sensibilité globale du modèle a mis en évidence une forte influence sur les expositions fœtales de la liaison du Pb aux érythrocytes, l'accumulation du Pb dans les os et du coefficient de partage dans le cerveau.Les concentrations de Pb mesurées dans le cordon ombilical à l'accouchement, provenant de l'étude longitudinale française depuis l'enfance (Elfe), ont été utilisées dans le modèle p-PBPK pour simuler les concentrations de Pb dans le cerveau des fœtus. Les simulations effectuées sur la cohorte Elfe révèlent des variations des concentrations prédites de Pb dans le cerveau des fœtus au cours de la grossesse. À la fin de la grossesse, presque la moitié des fœtus de la cohorte Elfe présentaient des concentrations prédites dans le cerveau susceptibles d'induire in vitro et ex vivo des effets sur le neurodéveloppement.Pour conclure, ce travail de thèse met en lumière le potentiel des modèle p-PBPK pour l'évaluation des expositions prénatales. Nous avons démontré la capacité de notre modèle à simuler des indicateurs d'exposition chez le fœtus en tenant compte des mécanismes physiologiques essentiels à la toxicocinétique du Pb pendant la grossesse. Ce modèle peut à l'avenir être couplé à un modèle d'effet tel qu'un chemin d'effet néfaste (AOP) pour aider à prédire les effets du Pb sur le neurodéveloppement des enfants