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Comportement Thermo-Hygro-Mécanique du bois soumis à des sollicitations accidentelles d'incendie
No full textWood is a sustainable, low-carbon construction material with substantial environmental benefits. However, as a hygroscopic material, its mechanical properties are significantly influenced by moisture content. Although Eurocode 5 considers certain climatic factors in the design of timber structures, it does not address the impact of moisture content or the development of moisture gradients within the material, both of which can alter its mechanical performance. Moreover, fire presents a serious risk to timber structures due to the combustible nature of wood.This study investigates the thermo-hygro-mechanical behavior of wood when exposed to fire, with an emphasis on the effects of temperature and moisture on its mechanical properties. The research examines how thermal, and moisture gradients affect the compressive strength and axial modulus of elasticity of wood, both at the material and structural scales.Initially, experimental tests are conducted to analyze the mechanical properties of wood under various homogeneous and heterogeneous temperature and moisture conditions. The results reveal that thermo-hygro gradients significantly influence the mechanical performance of wood, particularly its compressive strength during thermal exposure. Subsequently, structural-scale tests on timber columns validate the findings from the material scale and provide deeper insights into the effects of thermal and moisture diffusion on the behavior of timber structures.Finally, this research presents a predictive model for the behavior of wood under fire conditions, providing a framework for enhancing the safety and design of timber structures exposed to fire, supported by adapted design guidelines.Le bois, en tant que matériau de construction durable à faible empreinte carbone, présente des avantages environnementaux considérables. Cependant, en raison de son caractère hygroscopique, ses propriétés mécaniques sont fortement influencées par sa teneur en humidité. Bien que l'Eurocode 5 intègre certains aspects climatiques dans la conception des structures en bois, il néglige l'influence de l'humidité et des gradients hydriques pouvant se développer à l'intérieur du matériau, altérant ainsi ses performances mécaniques. Par ailleurs, le bois, en tant que matériau combustible, est particulièrement vulnérable aux incendies, ce qui représente une menace pour la sécurité des structures. Cette thèse porte sur l'étude du comportement thermo-hygro-mécanique du bois exposé à des conditions d’incendie, avec une attention particulière sur l'impact de la température et de l'humidité sur ses propriétés mécaniques. Les effets des gradients thermiques et hydriques sur la résistance en compression et le module d'élasticité axial du bois sont examinés, tant à l'échelle du matériau qu'à l'échelle structurale. Dans un premier temps, des essais expérimentaux sont menés afin d'analyser les propriétés mécaniques du bois sous diverses conditions de température et d'humidité, homogènes et hétérogènes. Les résultats montrent que les gradients thermo-hydriques ont une influence significative sur les performances mécaniques du bois, notamment sa résistance en compression en situation d’incendie. Ensuite, des essais à l'échelle structurale sur des poteaux en bois permettent de valider les conclusions obtenues à l'échelle du matériau et d’approfondir la compréhension des effets de la diffusion thermique et hydrique sur le comportement global des structures en bois. Enfin, cette thèse propose un modèle prédictif du comportement du bois sous conditions d’incendie, apportant ainsi des perspectives pour améliorer la conception et la sécurité des bâtiments en bois face aux risques d'incendie, en s’appuyant sur des règles de dimensionnement adaptées.' étude du comportement thermo-hygro-mécanique du bois exposé à des conditions d’incendie, avec une attention particulière portée à l'impact de la température et de l'humidité sur ses propriétés mécaniques. Les effets des gradients thermiques et hydriques sur la résistance en compression et le module d'élasticité axial du bois sont examinés, tant à l'échelle du matériau qu'à l'échelle structurale. Dans un premier temps, des essais expérimentaux sont menés afin d'analyser les propriétés mécaniques du bois sous diverses conditions de température et d'humidité, homogènes et hétérogènes. Les résultats montrent que les gradients thermo-hydriques ont une influence significative sur les performances mécaniques du bois, notamment sa résistance en compression en situation d’incendie. Ensuite, des essais à l'échelle structurale sur des poteaux en bois permettent de valider les conclusions obtenues à l'échelle du matériau et d’approfondir la compréhension des effets de la diffusion thermique et hydrique sur le comportement global des structures en bois. Enfin, cette thèse propose un modèle prédictif du comportement du bois sous conditions d’incendie, apportant ainsi des perspectives pour améliorer la conception et la sécurité des bâtiments en bois face aux risques d'incendie, en s’appuyant sur des règles de dimensionnement adaptées
Résilience des Réseaux de Services Logistiques Multimodaux : Diagnostics, Stratégies d'Amélioration et Evaluation de l'Impact sur les Chaînes
No full textSupply chain resilience has become a critical capability for firms to manage disruptions, gaining heightened attention, particularly in the wake of COVID-19. In such a volatile environment, logistics plays a crucial role in ensuring the smooth flow of materials for manufacturing and the reliable delivery of products to clients. In long-haul transportation, the use of multi-modality enhances cost-efficiency and sustainability, but it also increases the complexity of logistics networks. Furthermore, the scarcity of historical data during unprecedented disruptions poses challenges in evaluating network performance and ensuring timely and cost-efficient delivery. Therefore, this study aims to enhance the resilience of multi-modal logistics service networks under disruptions. In particular, we employ robust optimization with a budgeted uncertainty set, which does not require probabilistic information about uncertainties and allows for control over the level of conservatism in the solutions. This research proposes a pragmatic methodological framework that offers clear guidelines for industry practitioners and lays a foundation for future research on enhancing the resilience of multi-modal logistics networks. The framework is validated through step-by-step implementation and extensive computational experiments. First, we develop an approach to stress-test networks, diagnosing vulnerabilities and assessing their resistance levels. The impacts of supply chain typology on network resilience across various industries, along with the interplay between resilience and sustainability, are explored through large-scale experiments. Second, we design enhancement strategies from both proactive and reactive perspectives based on the timing of disruption occurrences. These strategies are evaluated using optimization models and stress tests. Finally, we propose a robust optimization model for reactive planning in product distribution, ensuring that the identified solutions remain feasible under any realization of uncertainty within the given set. This study contributes to the literature by offering novel applications of robust optimization and developing managerial insights to help industry practitioners improve the resilience of their logistics service networks.La résilience des chaînes d'approvisionnement est devenue cruciale pour les entreprises face aux perturbations, notamment après la pandémie de COVID-19. La logistique joue un rôle clé en assurant un flux continu de matériaux et une livraison fiable des produits, surtout dans le transport longue distance où la multi-modalité améliore l'efficacité mais complexifie les réseaux. Le manque de données historiques lors de crises sans précédent complique l'évaluation des performances. Cette étude vise à renforcer la résilience des réseaux logistiques multi-modaux en utilisant l'optimisation robuste avec un ensemble budget d'incertitude, permettant de contrôler le conservatisme des solutions sans nécessiter de données probabilistes. Un framework méthodologique est proposé, offrant des lignes directrices claires pour les décideurs. Nous testons la robustesse des réseaux, diagnostiquons leurs vulnérabilités, explorons l'impact des typologies de chaînes sur la résilience et concevons des stratégies d'amélioration proactives et réactives. Enfin, un modèle d'optimisation robuste pour la planification réactive garantit des solutions viables malgré les incertitudes. Cette recherche contribue à la littérature en proposant des applications innovantes de l'optimisation robuste et des perspectives pour améliorer la résilience des réseaux logistiques
Étude multi-échelle de la fabrication additive de polyamide-12 par le procédé L-PBF : de la caractérisation expérimentale à la simulation numérique
No full textThe Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) additive manufacturing (AM) process, which produces parts by selectively scanning powder materials with a laser beam, has been applied to semi-crystalline polymers. Due to the layer-by-layer nature of forming, the potential of this innovative process lies in the production of complex geometries, and reducing product development time. However, the application of L-PBF in the manufacture of semi-crystalline polymers is still limited. On the one hand, the complex material behavior, the diversity of powder organization, and the processing conditions related to many machine parameters pose difficulties for manufacturing optimization. On the other hand, the lack of an external driving force makes reproducibility more difficult compared to conventional methods. Specifically, manufacturing of optimized parts by AM, which possess comparable mechanical properties and dimensional stability with traditional methods, is the long-term goal of the semi-crystalline polymers L-PBF community. In this study, the most widely used commercially available polymer, polyamide-12 (PA12), was selected. First, the basic material properties, including thermal property, rheology property, mechanical property, and particle morphology, were thoroughly investigated by experiments and mathematically modeled. Then, the particle coalescence in the melt pool and following crystallization with different processing parameters is studied based on the particle scale finite element numerical model. In a continuum mesoscale model, the density evolution and the consequent melt pool contraction due to powder consolidation have been numerically studied using the level set method and validated with experimental measurements. Numerical studies suggest that the thermal interaction between adjacent tracks has an important influence on the melt pool evolution. At the macroscale, the warping mechanisms associated with thermal dilatation and phase transformation-induced non-uniform volume shrinkage was investigated. In addition, the constitutive law of viscoelasticity has been developed and implemented at different temperatures by the time-temperature superposition principle. Then, the phase transformation governed by the modified crystallization kinetics, displacement and stress evolution during the L-PBF process were simulated. This study demonstrates a systematic material characterization and multi-scale multiphysics numerical modeling. It can be easily extended to other semi-crystalline polymers for L-PBF process simulation and optimization.Le processus de fabrication additive (FA) par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), qui produit des pièces en balayant sélectivement des matériaux en poudre à l'aide d'un faisceau laser, a été appliqué aux polymères semi-cristallins. En raison de la nature du formage couche par couche, le potentiel de ce processus innovant réside dans la production de géométries complexes et dans la réduction du temps de développement des produits. Cependant, l'application du L-PBF à la fabrication de polymères semi-cristallins est encore limitée. D'une part, le comportement complexe du matériau, la diversité de l'organisation de la poudre et les conditions de traitement liées à de nombreux paramètres de la machine posent des difficultés pour l'optimisation de la fabrication. D'autre part, l'absence de force motrice externe rend la reproductibilité difficile par rapport aux méthodes conventionnelles. Plus précisément, la fabrication additive de pièces optimisées, qui possèdent des propriétés mécaniques et une stabilité dimensionnelle comparables à celles des méthodes traditionnelles, est l'objectif à long terme de la communauté des polymères semi-cristallins L-PBF. Dans cette étude, le polymère le plus largement utilisé dans le commerce, le polyamide 12 (PA12), a été sélectionné. Tout d'abord, les propriétés fondamentales du matériau, y compris les propriétés thermiques, rhéologiques et mécaniques, ainsi que la morphologie des particules, ont été étudiées de manière approfondie par des expériences et modélisées mathématiquement. Ensuite, la coalescence des particules dans le bain de fusion avec différents paramètres de traitement est étudiée sur la base du modèle numérique par éléments finis à l'échelle des particules. Dans un modèle continu à méso-échelle, l'évolution de la densité et la contraction conséquente du bain de fusion due à la consolidation de la poudre ont été étudiées numériquement à l'aide de la méthode de l'ensemble de niveaux et validées par des mesures expérimentales. Les études numériques suggèrent que l'interaction thermique entre les cordons adjacentes à une influence importante sur l'évolution du bain de fusion. À l'échelle macroscopique, les mécanismes de déformation associés à la dilatation thermique et au retrait volumétrique non uniforme induit par la transformation de phase sont étudiés. En outre, la loi de comportement viscoélastique a été développée et mise en œuvre à différentes températures par le principe de superposition temps-température. Ensuite, la transformation de phase régie par la cinétique de cristallisation modifiée, le déplacement et l'évolution des contraintes au cours du processus L-PBF ont été simulés. Cette étude démontre une caractérisation systématique des matériaux, une modélisation numérique multi-échelle et multiphysique. Elle peut être facilement étendu à d'autres polymères semi-cristallins pour la simulation et l'optimisation du procédé L-PBF
Refaire de la recherche : La valorisation de la recherche publique au CNRS
No full textThis dissertation in sociology of science analyses what academic valorisation does to research practices in the CNRS. A public research mission since 1982, valorisation consists in transferring research results outside the academic world via the market. Much of previous works interpreted it as part of a movement to put knowledge into the economy, referred to as “academic capitalism” or “neo-liberalization of research”. However, far from subordinating public research to economic concerns, my study shows that academic activities and scientific quality remain at the heart of valorisation practices. To account for this situation, the thesis argues that valorisation is encouraged and practiced as a particular modality of research activity. In this respect, institutional policies do not aim to add a new type of activity to the tasks of research staff, but to instill a concern for identifying technological applications in the course of their research. For their part, research staff organise and finance part of their research through valorisation schemes, while at the same time managing the economic development and academic communication of their results. Far from being start-up researchers, very few research staff give up their academic careers for the sake of their work.Cette thèse de sociologie des sciences analyse ce que la valorisation académique fait aux pratiques de recherche au CNRS. Mission de la recherche publique depuis 1982, la valorisation consiste à transférer les résultats de recherche à l'extérieur du monde académique par l'intermédiaire du marché. Une part importante des travaux antérieurs l'a inscrite dans un mouvement de mise en économie des connaissances qualifié de « capitalisme académique » ou de « néo-libéralisation de la recherche ». Pourtant, loin de subordonner la recherche publique à des préoccupations économiques, mon enquête montre que les activités académiques et la qualité scientifique restent au cœur des pratiques de valorisation. Afin de rendre compte de cette situation, la thèse défend l'argument selon lequel la valorisation est encouragée et pratiquée comme une modalité particulière de l'activité de recherche. À cet égard, les politiques institutionnelles n'ont pas pour ambition d'ajouter un nouveau type d'activités aux tâches des personnels de recherche, mais d'insuffler le souci d'identifier des applications technologiques au cours de leur recherche. De leur côté, les personnels de recherche organisent et financent une partie de leurs recherches par des dispositifs de valorisation, tout en menant de front valorisation économique et communication académique de leurs résultats. Bien loin de la figure du chercheur startupper, rares sont les personnels de recherche qui renoncent à leur carrière académique pour la valorisation. Ainsi les pratiques de valorisation ne se substituent pas aux activités de recherche, elles transforment les pratiques de recherche elles-mêmes
Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs éléments-finis de microstructures
No full textIn the current logic of reducing CO2 emissions, car manufacturers seek to replace steel with aluminium alloys for automotive panels, aiming for light weight structures. For sheet metal formability, plane strain is limiting, since it favors instabilities and strain localization leading to fracture. This study therefore focuses on strain and damage mechanisms in a 6016 T4 aluminum alloy under plane strain tension (PST).The strain heterogeneities within the material are characterized using 2D digital image correlation (DIC) or digital volume correlation (DVC) applied to data acquired in situ by X-Ray tomography, laminography and nanotomography. The study is conducted at different scales, varying the dimensions of the PST specimens as well as of the regions imaged. The measurements reveal the presence of slanted strained bands that remain spatially stable over loading and are often precursors of strain localization leading to fracture in the metal sheet. Given that the width of the deformation bands is of the order of the grain size of the material, an in situ multimodal experiment is performed on one of the specimens to gain a better understanding of the role of grains on the measured strain heterogeneities. Laboratory diffraction contrast tomography (DCT) is used to non-destructively acquire the microstructure (crystallographic orientations and grain morphology) of the specimen in the undeformed state in the central region, where the strain evolution is subsequently measured. The measured real microstructure is meshed and used as input of 3D crystal plasticity finite element (CP-FE) simulations, whose predictions accurately describe the strain fields measured experimentally by image correlation. It is also verified that neither a macroscopic anisotropic plasticity model nor a CP-FE simulation with random grain orientations reproduce the results, validating the relevance of CP-FE simulations for studying polycrystalline effects. The evolution of damage during plane strain tension is also measured from tomography data, revealing a significant increase in damage from the maximum load, and thus after the appearance of the early strain heterogeneity bands. The formation of the latter is therefore attributed to polycrystalline effects, i.e. the grain structure and their mechanical interactions under loading, highlighting the need to account for crystal structure in virtual testing.Dans le contexte actuel de réduction des émissions de CO2, les constructeurs automobiles cherchent à alléger leurs structures en remplaçant l'acier par des alliages d'aluminium pour les carrosseries. Pour la formabilité des tôles, la déformation plane est limitante, car elle favorise les instabilités et la localisation de la déformation menant à la rupture. Cette étude s'intéresse donc aux mécanismes de déformation et d'endommagement sur un alliage d'aluminium 6016 T4 en traction en déformation plane (PST).Les hétérogénéités de déformation à l'intérieur de la matière sont caractérisées par corrélation d'images 2D (DIC) ou corrélation d'images volumiques (DVC) appliquées à des données d'essais in situ acquises par tomographie, laminographie et nanotomographie aux rayons X. L'étude est menée à différentes échelles, en variant les dimensions des éprouvettes PST et des régions observées. Les observations révèlent la présence de bandes de déformation inclinées qui sont stables dans l'espace au cours du chargement et qui sont souvent des précurseurs de la localisation de la déformation menant à la rupture de la tôle. La largeur des bandes de déformation étant de l'ordre de la taille des grains de la matière, une expérience in situ multimodale est réalisée sur l'une des éprouvettes dans le but d'approfondir la compréhension du rôle des grains dans les hétérogénéités de déformation mesurées. La tomographie de laboratoire par contraste de diffraction (DCT) est utilisée pour acquérir de manière non destructive la microstructure (orientations cristallographiques et morphologie des grains) d'une éprouvette à l'état initial non déformé dont on mesure par ailleurs l'évolution de la déformation. La microstructure réelle mesurée est maillée et sert d'entrée à des simulations par éléments-finis en 3D en plasticité cristalline (CP-FE) dont les prédictions décrivent bien les champs de déformation mesurés expérimentalement par corrélation d'images. Il est par ailleurs vérifié que ni un modèle macroscopique de plasticité anisotrope ni une simulation CP-FE avec des orientations de grains aléatoires ne reproduisent les résultats, ce qui valide la pertinence des simulations CP-FE pour l'étude des effets polycristallins. L'évolution de l'endommagement au cours de la traction en déformation plane est également mesurée à partir des données de tomographie, révélant une augmentation significative de l'endommagement à partir du maximum de charge et donc après l'apparition des bandes d'hétérogénéité de déformation précoce. L'apparition de ces-dernières est donc attribuée aux effets polycristallins, c'est-à-dire à l'organisation des grains et à leurs interactions mécaniques durant la déformation, montrant l'importance de tenir compte de la structure cristalline dans la modélisation
Amélioration de la digestion anaérobie par des approches omiques : mécanismes d'inhibition et stratégies d'atténuation
No full textThe escalating global volume of organic waste presents both an environmental challenge and an opportunity for renewable energy generation. Anaerobic digestion (AD) serves as an efficient waste management method that not only effectively reduces organic waste volume but also converts it into clean energy in the form of biogas. Nevertheless, AD encounters challenges in maintaining process stability due to the vulnerability of the involved anaerobic microbial communities, which are highly sensitive to changes in operational parameters and digestive conditions. Consequently, it is imperative to understand the factors contributing to instability and propose strategies to enhance process stability, with a primary focus on understanding the response of microbial communities in this context. The development of high-throughput omics techniques, particularly metabolomics, has greatly facilitated the investigation of microbial metabolic processes, offering new opportunities to comprehensively understand the AD microbiota. This thesis is centered on the stability of AD, delving into understanding the inhibitory effects of various inhibitors and the mitigating role of different support materials using omics approaches coupled with biostatistics. In the first study, the applicability of metabolomics in AD was demonstrated by exploring the impacts of different anions originating from ammonium salts. The analytical framework developed for metabolomics data analysis, which took time evolution into account, revealed subtle variations in metabolite dynamics influenced by anions. The second study proposed the generic and beneficial impact of zeolite on AD. Zeolite effectively alleviated inhibition caused by erythromycin and sodium chloride while also enhancing AD performance under non-inhibited conditions. Microbial analysis and common components analysis uncovered that zeolite promoted specific bacterial and archaeal populations, regardless of the presence or type of inhibitor. Microbial populations closely associated with the zeolite effect were identified. The final study explored the effects of various support materials, including activated carbon, magnetite, nickel foam, and zeolite, on mitigating sodium chloride inhibition, which is a common issue in industrial AD. The digesters added with support materials exhibited lower VFAs accumulation and higher methane production ratio, with nickel foam and magnetite demonstrating a superior effect. Common components analysis disclosed differences in microbial and metabolite dynamics between several support materials, identifying characteristic microbial groups and metabolites correlated to each specific material.L'augmentation du volume mondial des déchets organiques produits constitue à la fois un défi environnemental et une opportunité pour la production d'énergie renouvelable. La digestion anaérobie (DA) est une méthode efficace de gestion des déchets organiques qui réduit efficacement leur volume tout en les convertissant en énergie propre sous forme de biogaz. Cependant, l'une des difficultés opérationnelles de la DA réside dans le maintien de la stabilité du procédé, en raison de la vulnérabilité des communautés microbiennes impliquées, qui se montrent très sensibles aux variations des paramètres opérationnels. Il est donc impératif de comprendre les facteurs contribuant à l'instabilité du processus, tout en proposant des stratégies pour renforcer cette stabilité, en mettant l'accent sur la compréhension de la réponse des communautés microbiennes. Le développement des techniques omiques à haut débit, en particulier la métabolomique, a grandement facilité l'étude des processus métaboliques microbiens, offrant de nouvelles opportunités pour une compréhension approfondie du fonctionnement des communautés microbiennes de la DA. Cette thèse est centrée sur la stabilité de la DA, explorant les effets de divers inhibiteurs et l'impact bénéfique de différents matériaux support à l'aide d'approches omiques couplées à la biostatistique. Dans une première partie du travail, l'applicabilité de la métabolomique pour étudier la DA a été démontrée en explorant les effets de différents sels d'ammonium sur la DA. Le cadre analytique développé pour l'analyse des données métabolomiques, qui prend en compte l'évolution temporelle, a révélé des variations subtiles dans la dynamique des métabolites influencées par les anions des sels d'ammonium. Une deuxième partie du travail a examiné la généralité de l'impact bénéfique de la zéolite pour réduire l'inhibition de la DA. La zéolite a efficacement atténué l'inhibition causée par l'érythromycine et le chlorure de sodium tout en améliorant les performances de la DA dans des conditions non inhibées. L'analyse microbiologique par métabarcoding 16S couplée à l'analyse en composantes communes a révélé que la zéolite favorisait des populations de bactéries et d'archées spécifiques, indépendamment de la présence ou du type d'inhibiteur. Les populations microbiennes étroitement associées à l'effet de la zéolite ont été identifiées. La dernière partie du travail a exploré les effets de différents matériaux support, notamment le charbon actif, la magnétite, la mousse de nickel et la zéolite, sur l'atténuation de l'inhibition par le chlorure de sodium, un inhibiteur courant à l'échelle industrielle. Les digesteurs supplémentés en matériaux support ont présenté une accumulation moindre en acides gras volatils après l'inhibition et un rendement de méthane plus élevé, la mousse de nickel et la magnétite montrant l'effet le plus important. L'analyse en composantes communes a révélé des différences dans la dynamique microbiologique et métabolique entre plusieurs matériaux support, identifiant des groupes microbiens caractéristiques et des métabolites corrélés spécifiquement à chaque matériau
Caractérisation multi-échelle et modélisation du comportement hydromécanique-gaz d’un mélange de bentonite et sable
No full textThe closure phases of geological disposal for radioactive waste involve the construction of sealing systems utilizing bentonite-based materials. These materials are selected for their low water permeability and radionuclide retention capacity. Their swelling potential induced by the absorption of water enables self-sealing capabilities, bridging any gaps in the sealing system and recompacting damaged zones surrounding the tunnel.Post-closure of the facility, the sealing systems achieve water-saturation through hydration from the host rock's porewater. Subsequently, metallic components presented within the galleries undergo corrosion, leading to the production of hydrogen gas. The accumulation of this gas can potentially increase gas pressure within the disposal tunnels. Sealing systems help to limit this pressure by not opposing the transfer of gas along the galleries.The present work focuses on the experimental characterisation and numerical modelling of hydromechanical-gas behaviour of compacted bricks made of a bentonite-sand mixture, in proportion of 40/60 in dry mass, considered as a candidate material for the construction of the expansive core of the sealing systems in the French concept of geological disposal.Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry experiments on relative humidity-controlled samples provided the microstructural characterisation of water mobility during wetting. Results highlighted the existence of two predominant regimes of water mobility. At drier states water is totally adsorbed to bentonite particles whereas at wetter states capillary and adsorbed water coexist.Water transfer and hydromechanical behaviour of water imbibition experiments were characterised by the conventional methods of monitoring relative humidity and swelling pressure at different distances from the water injection front, as well as utilizing Magnetic Resonance Imaging (MRI) and X-ray microtomography (µCT) imaging techniques. The combination of MRI and µCT provided data on the distribution of water mass and dry density along the sample, allowing the estimation of the hydraulic conductivity of the material from the imaging techniques.Gas injection tests on water-saturated samples of different sizes demonstrated that gas pressures below the swelling pressure of the sample could induce the entry of gas and its migration through the material. µCT images taken during the injection of gas determined that the gas entry process takes place between sand grains where bentonite is less concentrated. Water displacement due to the advancement of the gas was measured at the downstream and captured at the grain-scale level with µCT images suggested that gas migration is led by a visco-capillary two-phase flow through the sand skeleton of the sample.A modelling framework reproducing the behaviour of the bentonite-sand bricks was proposed based in experimental evidences and was implemented in the open-source finite element method code Bil. For the transport modelling, it considers multiphase flow with: liquid water advection, water vapour diffusion, gas advection and gas dissolution in liquid water. The water retention model is bimodal distinguishing the gas entry pressure of the sand skeleton and of the bentonite matrix. The hydromechanical coupling is based in the Barcelona Basic Model including particular extensions for bentonite-based materials. Simulation of laboratory experiments provided the calibration of model parameters for the bentonite/sand bricks.It was concluded that the original combination of high sand proportion, while maintaining a high bentonite dry density, provides the bricks the ideal combination of hydromechanical properties with respect to the design requirements for the geological disposal of radioactive wastes. These properties include low hydraulic conductivity, high swelling potential and low gas entry pressure.Les phases de fermeture du stockage géologique des déchets radioactifs impliquent la construction de scellements utilisant des matériaux à base de bentonite. Ces matériaux sont sélectionnés pour leur faible perméabilité à l'eau et leur capacité de rétention des radionucléides. Leur potentiel de gonflement lors de la reprise d'eau leur permet de combler efficacement tous les vides résiduels autour du scellement et de recomprimer la zone fracturée entourant les tunnels. Après la fermeture du stockage, les scellements atteignent une saturation en eau complète grâce à l'eau provenant de la roche hôte. Dans le même temps, les éléments métalliques présents dans le stockage subissent une corrosion qui entraîne la génération d'hydrogène. L'accumulation de ce gaz peut potentiellement augmenter la pression du gaz à l'intérieur des tunnels de stockage. Les scellements contribuent à limiter cette pression en ne s’opposant pas au transfert de gaz le long des galeries. Le présent travail concerne la caractérisation expérimentale et la modélisation numérique du comportement hydromécanique-gaz de briques compactées constituées d'un mélange de bentonite et de sable, dans une proportion de 40/60 en masse sèche, considéré comme un matériau candidat pour la construction du noyau expansif des scellements dans le concept français de stockage géologique. Des expériences de relaxométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) ont permis la caractérisation microstructurale de la mobilité de l'eau pendant le mouillage. Deux régimes prédominants de mobilité de l'eau ont été mis en évidence. Dans les états plus secs, l'eau est adsorbée sur les particules d’argile, tandis que dans les états plus humides, l'eau capillaire et l'eau adsorbée coexistent. Le transfert d'eau et le comportement hydromécanique des expériences d'imbibition d'eau ont été caractérisés en monitorant l'humidité relative et la pression de gonflement, ainsi qu'en utilisant des techniques d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la microtomographie à rayons X (µCT). La combinaison de l'IRM et de la µCT a permis d’obtenir des données sur la distribution de la masse d’eau et de la densité sèche le long de l'échantillon et permet d’estimer la conductivité hydraulique du matériau à partir de ces techniques d'imagerie. Des essais d'injection de gaz sur des échantillons saturés en eau ont démontré que des pressions de gaz inférieures à la pression de gonflement de l'échantillon pouvaient induire une percé du gaz. Les images µCT prises pendant l'injection de gaz ont déterminé que le processus d'entrée et de migration du gaz a lieu entre les grains de sable, là où la bentonite est moins concentrée. Le déplacement de l'eau dû à l'avancée du gaz suggère que la migration du gaz est conduite par un écoulement visco-capillaire biphasique à travers le squelette de sable de l'échantillon. Un cadre de modélisation a été proposé sur la base de preuves expérimentales et a été implémenté dans le code open-source aux éléments finis Bil. Pour la modélisation du transport, il prend en compte l'écoulement multiphasique avec : l’advection de l'eau liquide, la diffusion de la vapeur d'eau et l’advection du gaz . Le modèle de rétention d'eau est bimodal et distingue la pression d'entrée du gaz dans le squelette de sable et dans la matrice de bentonite. Le couplage hydromécanique est basé sur le Barcelona Basic Model. La simulation d'expériences en laboratoire a permis de calibrer les paramètres du modèle pour les briques de bentonite/sable. En conclusion, la combinaison originale d'une proportion élevée de sable avec une densité sèche en bentonite élevée pour le mélange sable/bentonite, fournit aux briques la combinaison idéale de propriétés hydromécaniques vis-à-vis des exigences requises pour le stockage souterrain de déchets radioactifs. Ces propriétés sont : une faible conductivité hydraulique, un potentiel de gonflement élevé et une faible pression d'entrée de gaz
Étude et modélisation des phénomènes de transport et réactionnels dans un four à vis
No full textScrew conveyors are widely used in the chemical industry. Thanks to their mixing and transport capacity, they are used for a variety of applications (conveying, drying, pyrolysis, etc.). This technology is also used in the reprocessing of nuclear materials, in particular to stabilise plutonium oxalates into oxides. Numerous studies have been carried out on a laboratory scale to establish precisely the reaction mechanisms using thermogravimetric analysis (TGA) and the physico-chemical properties of the species involved. The reactions involved are thermal decomposition of coupled carbon chains in a heterogeneous phase (solid/gas reactions). In a screw kiln reactor, heat, mass and momentum transfer phenomena can significantly modify the apparent reaction rate and consequently the progress of the calcination. The aim of this work is to improve a phenomenological simulation tool, enabling the transposition to larger scales the results of studies carried out in TGA on small quantities of powder assumed to be uniform in composition and temperature at all times. This work is carried out in uranium, used as a simulant for plutonium.The simulation tool is based on a compartment model, linked to the hydrodynamics of the powders in the reactor. Thus, a major part of the thesis focuses on the flow at the global and local scales. With regard to global mixing, the overflow point, which characterises the change in hydrodynamic regime, has been identified. The Residence Time Distribution (RTD) was also measured. Dimensionless models were developed to predict both the overflow point and the shape of the RTD. Concerning the local mixing, two experimental studies were carried out, using an optical system and image processing tools. The first one looked at the renewal of the surface of the powder bed, while the second one at the renewal of the particles within the screw-tube clearance. These hydrodynamic studies will allow a better understanding and a modeling of gas/solid and solid/wall interactions respectively. Dimensionless models have been developed to predict these characteristic parameters. Finally, the powder flow was studied in detail by modelling the rheology using Computational Fluid Dynamics (CFD). First, the flow model and its parameters were calibrated using experimental measurements obtained in a rotating drum, a device with a simpler geometry and where the powder dynamics are similar to those observed in a screw conveyor. This model was then successfully compared with the experimental measurements carried out on the pilot-scale models. In the end, the model was able to provide information on data that is difficult to access experimentally within a screw conveyor, such as the thickness of the active layer or the flow velocities within the powder.TGA coupled with differential scanning calorimetry (TGA/DSC) studies were carried out to obtain robust kinetic and thermochemical data on the calcination of uranium oxalate in an oxidising and inert atmosphere, as well as on the conversion of UO2 to U3O8. Finally, the TGA signals obtained experimentally were modeled to validate the kinetic parameters.The screw kiln reactor simulation tool has been improved with a better representation of the phenomena taking place during the calcination of uranium oxalate in such apparatus. These improvements give access to the different temperature and concentration profiles of all the species in different predefined zones. The simulation tool is capable of predicting experimental data measured on the pilot screw kiln reactor.Les convoyeurs à vis sont très largement utilisés dans l'industrie chimique. Du fait de leur capacité de mélange et de transport, ils sont mis en œuvre pour différentes applications (convoyage, séchage, pyrolyse, etc.). Cette technologie se voit ainsi utilisée dans le retraitement de matière nucléaire, notamment pour stabiliser des oxalates de plutonium en oxyde. De nombreuses études ont été menées à l'échelle du laboratoire afin d'établir précisément les mécanismes réactionnels par analyse thermogravimétrique (ATG) et les propriétés physico-chimiques des espèces mises en jeu. Il s'agit de réactions de décomposition thermique de chaînes carbonées couplées en phase hétérogène (réactions solide/gaz). Dans un four à vis, les phénomènes de transfert de chaleur, de matière et de quantité de mouvement peuvent significativement modifier la vitesse de réaction apparente et par conséquent l'avancement de la calcination. L'objectif de ce travail est d'améliorer un outil de simulation phénoménologique, permettant de transposer vers les plus grandes échelles les résultats des études menées en ATG sur de petites quantités de poudre supposées uniformes à chaque instant en composition et en température. Ce travail est réalisé en uranium, utilisé comme simulant du plutonium.L'outil de simulation est basé sur un modèle compartimenté, lié à l'hydrodynamique des poudres dans le réacteur. Ainsi, une majeure partie de la thèse se focalise sur l'écoulement à l'échelle globale et locale. Pour le mélange global, le point de débordement, caractérisant le changement de régime hydrodynamique, a été identifié. La Distribution des Temps de Séjour (DTS) a également été mesurée. Des modèles adimensionnels ont été élaborés pour prédire à la fois le point de débordement et la forme de la DTS. Pour le mélange local, deux études expérimentales ont été menées, en utilisant un système optique et des outils de traitement d'images. La première s'est intéressée au renouvellement de la surface du lit de poudre et la seconde au renouvellement des particules dans l'entrefer vis-tube. Ces études hydrodynamiques permettent de mieux comprendre et donc modéliser, respectivement les interactions gaz/solide et solide/paroi. Des modèles adimensionnels ont été développés pour prédire ces paramètres caractéristiques. Enfin, l'écoulement des poudres a pu être étudié en détail grâce à la modélisation de la rhéologie par mécanique des fluides numériques (CFD). En premier lieu, le modèle d'écoulement et ses paramètres ont été calibrés à partir de mesures expérimentales obtenues dans un tambour tournant ; appareil de géométrie plus simple et où la dynamique des poudres est similaire à celle observée dans un convoyeur à vis. Ce modèle a par la suite été confronté avec succès aux mesures expérimentales réalisées sur les maquettes à l'échelle pilote. Au final, le modèle a pu fournir des informations sur des données difficilement accessibles expérimentalement au sein d'un convoyeur à vis, comme l'épaisseur de la surface active ou les vitesses d'écoulement à l'intérieur de la poudre.Des études en ATG couplée à une analyse de calorimétrie différentielle à balayage (ATG/DSC) ont été menées afin d'obtenir des données cinétiques et thermochimiques robustes sur la calcination de l'oxalate d'uranium sous atmosphère oxydante et inerte, ainsi que sur la conversion de l'UO2 en U3O8. Enfin, les signaux ATG obtenus expérimentalement ont pu être modélisés, validant les paramètres cinétiques.L'outil de simulation du four à vis a été amélioré grâce à une meilleure représentation des phénomènes ayant lieu dans ce type de réacteur pendant la calcination de l'oxalate d'uranium. Ces améliorations permettent d'avoir accès aux différents profils de température et de concentration de toutes les espèces dans différentes zones prédéfinies. L'outil de simulation est capable de prédire des données expérimentales mesurées sur le four à vis pilote
Impact et déformation de gouttes viscoplastiques
No full textThis thesis studies the physical mechanisms that drive the impact of viscoplastic drops on surfaces (solid, gas and liquid). Viscoplastic materials have both solid and liquid characteristics, behaving as a solid under low stress and flowing like a liquid under high stress. This dual nature makes the study of their impact dynamics complex and interesting. The research aims to understand the mechanisms behind drop spreading, penetration, and breakup upon impact, considering various parameters such as drop properties, impact velocity, and surface characteristics.It highlights the importance of understanding viscoplastic drop dynamics for applications in industries such as coatings, inkjet printing, and bioprinting. The study also opens avenues for future research in improving numerical methods and exploring more complex drop impact scenarios.Overall, the research provides significant insights into the behavior of viscoplastic drops during impact, combining experimental observations with advanced numerical simulations to enhance the understanding of these complex phenomena.Cette thèse étudie les mécanismes physiques qui déterminent l'impact des gouttes viscoplastiques sur les surfaces (solides, gazeuses et liquides). Les matériaux viscoplastiques ont des caractéristiques à la fois solides et liquides, se comportant comme un solide sous faible contrainte et s'écoulant comme un liquide sous forte contrainte. Cette double nature rend l'étude de leur dynamique d'impact complexe et intéressante. La recherche vise à comprendre les mécanismes à l'origine de l'étalement, de la pénétration et de la rupture des gouttes lors de l'impact, en tenant compte de divers paramètres tels que les propriétés des gouttes, la vitesse d'impact et les caractéristiques de la surface.Il souligne l'importance de comprendre la dynamique des gouttes viscoplastiques pour des applications dans des secteurs tels que, l'impression à jet d'encre et la bio-impression. L'étude ouvre également des pistes pour de futures recherches visant à améliorer les méthodes numériques et à explorer des scénarios d'impact de goutte plus complexes.Dans l'ensemble, la recherche fournit des informations significatives sur le comportement des gouttes viscoplastiques lors d'un impact, en combinant des observations expérimentales avec des simulations numériques avancées pour améliorer la compréhension de ces phénomènes complexes
Suivi du comportement viscoélastique des polymères par ultrasons durant le rotomoulage réactif du polyuréthane.
No full textThe study focuses on monitoring the viscoelastic behaviour of polymers, particularly polyurethane, during the reactive rotational moulding process, with the aim of optimising the production of Type IV tanks for hydrogen storage. One of the main challenges was the development of a real-time monitoring method using ultrasonic technology to control the viscosity of the material during polymerisation. This technique ensures a homogeneous distribution of the polymer and complete polymerisation, both essential for guaranteeing the quality of the produced parts.The innovative aspect of this research lies in the use of ultrasound, which provides more precise monitoring of the evolution of the mechanical properties of polyurethane compared to traditional temperature-based methods. Complementary techniques such as rheometry, DMA (dynamic mechanical analysis), and DSC (differential scanning calorimetry) allowed for a deeper understanding of the thermomechanical properties of the material, offering a more comprehensive view of the polymerisation process.However, integrating ultrasonic sensors into a rotating mould, which revolves simultaneously on two axes, posed challenges due to the heat and vibrations inherent in the moulding process. Optimising this integration remains a critical challenge for industrial applications. The thesis objectives were partially met, notably by demonstrating a clear correlation between ultrasonic measurements and the rheological properties of polyurethane. This approach also allows for better control of production parameters, such as temperature and time, thereby reducing costs and improving process reliability.Nonetheless, areas for improvement remain. Integrating sensors into an industrial environment is still complex, requiring further studies to optimise their positioning and resistance to production conditions. It is also suggested to develop multiparametric sensors capable of simultaneously measuring viscosity, temperature, and elastic moduli to provide more comprehensive material monitoring.In conclusion, this thesis has demonstrated the significant potential of using ultrasound to improve the control and quality of products in reactive rotational moulding, paving the way for advancements in the production of high-performance polymers and composites.La thèse traite du suivi du comportement viscoélastique des polymères, notamment le polyuréthane, au cours du processus de rotomoulage réactif, avec pour objectif l’optimisation de la fabrication de réservoirs de type IV pour le stockage d’hydrogène. Un des défis principaux a été la mise au point d’une méthode de suivi en temps réel à l’aide de la technologie ultrasonore, afin de contrôler la viscosité du matériau pendant la polymérisation. Cette technique garantit une répartition homogène et une polymérisation complète du polymère, deux conditions essentielles pour la qualité des pièces produites.L’innovation majeure de cette recherche repose sur l’utilisation des ultrasons, offrant un suivi plus précis de l’évolution des propriétés mécaniques du polyuréthane comparé aux méthodes classiques basées sur la température. Des techniques complémentaires, telles que la rhéométrie, la DMA (analyse dynamique mécanique) et la DSC (calorimétrie différentielle à balayage), ont approfondi la compréhension des propriétés thermomécaniques du matériau, apportant une vision plus détaillée du processus de polymérisation.Cependant, l’intégration de capteurs ultrasonores dans un moule rotatif, qui tourne sur deux axes simultanément, a présenté des défis en raison des contraintes liées à la chaleur et aux vibrations inhérentes au processus de rotomoulage. L’optimisation de cette intégration reste un défi pour une application industrielle. Les objectifs de la thèse ont été partiellement atteints, notamment en démontrant une corrélation claire entre les mesures ultrasonores et les propriétés rhéologiques du polyuréthane. Cette approche permet aussi une meilleure maîtrise des paramètres de production, tels que la température et le temps, réduisant ainsi les coûts tout en améliorant la fiabilité du processus.Néanmoins, des pistes d’amélioration existent. L’intégration des capteurs dans un environnement industriel demeure complexe, nécessitant des recherches supplémentaires pour optimiser leur positionnement et leur résistance aux conditions de production. Il est aussi suggéré de développer des capteurs multiparamétriques capables de mesurer simultanément la viscosité, la température et les modules élastiques pour un suivi encore plus complet du matériau.En conclusion, cette thèse a montré le potentiel significatif de l’utilisation des ultrasons pour améliorer le contrôle et la qualité des produits dans le rotomoulage réactif. Ces avancées ouvrent des perspectives prometteuses pour la production de polymères et de composites de haute performance