thèses en ligne de ParisTech
Not a member yet
9369 research outputs found
Sort by
Photolyse de l'eau et du dioxyde de carbone sur des aérogels modifiés à base de TiO2 pour la production de methanol
No full textGlobal warming is primarily caused by greenhouse gases such as CO2. One smart solution to mitigate its impact is to convert CO2 into hydrocarbons through photoreduction processes. In this work, CO2 was photo-catalytically reduced over new aerogel-based materials to produce methanol, using a solar simulator and a specifically designed photoreactor. Cu loaded Nb and N co-doped TiO2 aerogels were synthesized by the sol-gel method followed by supercritical CO2 drying and calcination in a controlled atmosphere. The obtained photocatalysts benefit from the peculiar properties of aerogels with high specific surface area and porosity. N and Nb doping improved visible light absorption. CuxO nanoparticles (~2 nm) were uniformly distributed on the surface of aerogels. Used for CO2 photoreduction, one of the best ever-reported methanol yields was obtained, and the impact of Cu, Nb, and N on methanol production was studied.Le réchauffement climatique est principalement causé par les gaz à effet de serre tels que le CO2. Une solution intelligente pour atténuer son impact consiste à convertir le CO2 en hydrocarbures par le biais de processus de photoréduction. Dans cette étude, le CO2 a été réduit de manière photo-catalytique sur de nouveaux matériaux à base d'aérogels pour produire du méthanol, en utilisant un simulateur solaire et un photoréacteur spécialement conçu. Des aérogels à base de TiO2 dopé au niobium et à l’azote, supports de particules de cuivre, ont été synthétisés par la méthode sol-gel, suivie d'un séchage au CO2 supercritique et d’une calcination sous atmosphère contrôlée. Les photocatalyseurs obtenus bénéficient des propriétés particulières des aérogels, avec une surface spécifique élevée et une grande porosité. Le dopage au N et au Nb a amélioré l'absorption de la lumière visible. Des nanoparticules de CuxO (environ 2 nm) ont pu être uniformément réparties à la surface des aérogels. Lorsqu'ils ont été utilisés pour la photoréduction du CO2, l'un des rendements en méthanol les plus élevés jamais rapportés a été obtenu, et l'impact du Cu, du Nb et du N sur la production de méthanol a été étudié
Méthodes de réduction de modèles pour la physique et la chimie quantiques
No full textThis PhD thesis is concerned with the numerical analysis and testing of novel methods for ground state calculation in electronic structure theory. We focus on variational methods based on Wave-Function Theory (WFT) and Density Functional Theory (DFT), for which the ground state problem consists in the minimization of an energy functional over orthonormal families of square integrable functions, the so-called molecular orbitals.The first part of our work is dedicated to molecular systems. In chapter 1, we investigate direct minimization algorithms for the restricted open-shell Hartree-Fock (ROHF) and complete active space self-consistent field (CASSCF) models, two standard WFT models for systems with non empty active space (which designates the space of molecular orbitals related to the presence of unpaired electrons in the system). By using the tools of Riemannian optimization on matrix quotient manifolds, we express in a common framework the direct minimization algorithms for ROHF and CASSCF already existing in the chemistry literature, and propose and test the performance of new algorithms. In the second chapter, the same formalism allows us to explain the inherent instability of self-consistent field algorithms for ROHF, which are the most commonly used for this model. We then propose a new type of fixed-point method that is more robust and parameter free, while competing with the best performing standard methods. The third chapter discusses the optimization of atomic orbital basis sets for molecular systems. We introduce a general mathematical framework for that problem and compare the accuracy of optimized basis sets for some optimization criteria used in the literature on a one-dimensional toy model.The second part of this PhD focuses on crystalline materials. Chapter 4 is devoted to the correction of discretization errors related to the use of truncated Fourier basis in DFT calculations. Within this chapter, we introduce a plane-wave Galerkin discretization method based on a modified kinetic operator. We derive an error estimate for approximate energies and prove optimal regularity results on band diagrams, which depend on a user-defined tunable parameter. Lastly, chapter 5 details two numerical contributions related to the electronic structure of twisted-bilayer graphene (TBG). First we establish the groundwork for a code in Julia language, designed as a user-friendly plateform for the simulation of TBG. Second, we use an existing compression method to expand the Wannier functions corresponding to the two lowest valence bands of graphene on a symmetry-adapted atomic-orbital basis. These compressed functions should allow to perform large tight binding calculation for TBG, a useful tool to describe the novel physics observed on this moiré materials.Cette thèse de doctorat porte sur l'analyse numérique et le test de nouvelles méthodes pour le calcul de l'état fondamental en théorie de la structure électronique. Nous nous concentrons sur des méthodes variationnelles basées sur la théorie des fonction d'ondes (WFT) et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), pour lesquelles le problème de l'état fondamental consiste en la minimisation d'une fonctionnelle d'énergie sur des familles orthonormées de fonctions carrées intégrables, dites orbitales moléculaires. La première partie de notre travail est consacrée aux systèmes moléculaires. Dans le chapitre 1, nous étudions des algorithmes de minimisation directe pour les modèles de Hartree-Fock restreint à couche ouverte (ROHF) et de champ auto-cohérent de l'espace actif complet (CASSCF), deux modèles standard de fonction d'onde pour les systèmes à espace actif non vide (l'espace fonctionnel lié à la présence d'électrons non appairés dans le système). En utilisant les outils de l'optimisation Riemannienne sur des variétés quotient matricielles, nous exprimons dans un cadre commun les algorithmes de minimisation directe pour ROHF et CASSCF existants dans la littérature chimique, et proposons de nouveaux algorithmes dont nous testons les performances. Dans le deuxième chapitre, ce même formalisme nous permet d'expliquer l'instabilité inhérente aux algorithmes de champ auto-cohérent pour ROHF, qui sont les plus couramment utilisés pour ce modèle. Nous proposons ensuite un nouveau type de méthode de point fixe qui est plus robuste et sans paramètre, qui rivalisent avec les méthodes classiques les plus performantes. Le troisième chapitre aborde l'optimisation des bases d'orbitales atomiques pour les systèmes moléculaires. Nous introduisons un cadre mathématique général pour ce problème et comparons la précision des bases optimisées pour certains critères d'optimisation utilisés dans la littérature sur un modèle jouet unidimensionnel. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur les matériaux cristallins. Le chapitre 4 est consacré à la correction de certaines erreurs de discrétisation liées à l'utilisation de bases d'ondes planes tronquées dans les calculs de DFT. Dans ce chapitre, nous introduisons une méthode de Galerkin basée sur l'introduction d'un opérateur cinétique modifié. Nous dérivons une estimation de l'erreur d'approximation pour les énergies obtenues et prouvons des estimées optimales sur la régularité des diagrammes de bandes associés, en fonction d'un paramètre défini par l'utilisateur. Enfin, le chapitre 5 détaille deux contributions numériques liées à la structure électronique du graphène bicouche twisté (TBG). Tout d'abord, nous posons les bases d'un code de simulation du TBG en langage Julia, conçu pour être facilement utilisable et modifiable. En second lieu, nous appliquons une méthode de compression, présente dans la littérature, pour développer les fonctions de Wannier correspondant aux deux bandes de valence les plus basses du graphène, dans une base d'orbitales atomiques adaptée à la symétrie. Ces fonctions compressées devraient permettre d'effectuer de grands calculs de type liaisons fortes pour le TBG, l'un des outils principaux pour décrire la physique nouvelle observée sur ce matériau moiré
Analyse et modélisation des phénomènes d'interaction de la lumière et du bois : application pour le contrôle non destructif.
No full textThe tracheid effect is a non-destructive testing method widely used in the wood industry to analyze the fiber orientation on the surface of veneers and sawn timber. Based on light diffusion, this method allows for the determination of certain mechanical properties of the materials and optimizes their use. However, despite its widespread application, the underlying mechanisms and the influence of various involved parameters remain insufficiently studied. This project aims to deepen the understanding of these mechanisms through targeted experiments and the modeling of the light-wood interaction phenomenon, with the goal of improving the efficiency and accuracy of non-destructive wood testing.L'effet trachéide est un procédé de contrôle non destructif largement utilisé dans l'industrie du bois pour analyser l'orientation des fibres à la surface des placages et des sciages. Basé sur la diffusion de la lumière, ce procédé permet de déterminer certaines propriétés mécaniques des matériaux et d'optimiser leur utilisation. Cependant, malgré son application courante, les mécanismes sous-jacents et l'influence des différents paramètres impliqués restent insuffisamment étudiés. Ce projet vise à approfondir la compréhension de ces mécanismes à travers des expérimentations ciblées et la modélisation du phénomène d'interaction de la lumière et du matériau bois, dans le but d'améliorer l'efficacité et la précision du contrôle non destructif du bois
Évolution de la microstructure du superalliage à base nickel γ-γ' René 65 au cours de sa mise en forme pour la fabrication de disques de turbine
No full textNickel-based superalloys are high-performance metallic materials offering excellent mechanical properties at high temperatures. For this reason, they are widely used in the aerospace industry for the hottest, most highly stressed parts of jet engines. To increase operating temperature and, at the same time, reduce fuel consumption and greenhouse gas emissions, the nickel-based polycrystalline superalloy γ-γ' René 65 has been chosen for the manufacture of certain turbine disks in new-generation turbojet engines. In service and during hot forming, this family of superalloys features two distinct phases: γ, a Ni-rich solid solution, and γ', an intermetallic compound with a stoichiometric Ni3(Al,Ti) composition. During forging, both phases can evolve simultaneously, with comparable kinetics and different possible interaction mechanisms such as Smith-Zener pinning and heteroepitaxial recrystallization, making the study of underlying microstructural evolutions complex and ambitious. The main objective of this work is to study the microstructural evolutions at work during the various hot forging operations for the two phases, γ and γ', using a mainly experimental approach. To achieve this, a themomechanical path with subsolvus heat treatment, followed by hot compression and finalized by solution treatment, was reproduced in the laboratory. In the course of this work, the experimental dissolution kinetics of γ' precipitates and the static recrystallization kinetics of the γ matrix during subsolvus treatment were determined. The effect of thermomechanical parameters such as deformation level, strain rate and temperature on dynamic recrystallization has been studied in detail in the subsolvus domain of the alloy. The evolution of the microstructure during solution treatment, i.e. in the grain growth regime, was analyzed from different initial microstructures. In addition, a mean-field grain growth model in the presence of γ' precipitates was calibrated and validated for the René 65 alloy. This work provides a better understanding of the forging behavior of nickel-based γ-γ' superalloys in the subsolvus domain, i.e. in a context of strong interaction and coupling between the γ matrix and γ' precipitates. In conclusion, the results obtained are also industrially important for future optimization of the hot-forging process for this alloy.Les superalliages à base nickel sont des matériaux métalliques de haute performance offrant d'excellents propriétés mécaniques à hautes températures. Pour cette raison, ils sont largement utilisés dans l'industrie aérospatiale pour les parties les plus chaudes et les plus sollicitées des turboréacteurs. Afin d'augmenter la température de fonctionnement et, en même temps, de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, le superalliage polycristallin à base nickel γ-γ' René 65 a été choisi pour la fabrication de certains disques de turbine des turboréacteurs de nouvelle génération. Cette famille de superalliages présente, en service comme lors de la mise en forme à chaud, deux phases distinctes, nommées γ, solution solide riche en Ni, et γ', composé intermétallique avec composition stœchiométrique Ni3(Al,Ti). Lors de la mise en forme, les deux phases peuvent évoluer simultanément, avec des cinétiques comparables et différents mécanismes d'interactions possibles tels que l'ancrage de Smith-Zener et la recristallisation en hétéroépitaxie, rendant l'étude des évolutions de microstructures sous-jacentes complexe et ambitieuse. L'objectif principal de ce travail est l'étude des évolutions microstructurales à l'œuvre lors des différentes opérations de forgeage à chaud pour les deux phases, γ et γ', avec une approche principalement expérimentale. Pour y parvenir, un chemin themomécanique avec un traitement thermique subsolvus, suivi d'une compression à chaud et se finalisant par un traitement de mise en solution, a été reproduit en laboratoire. Au cours de ce travail, la cinétique expérimentale de dissolution des précipités γ' ainsi que la cinétique de recristallisation statique de la matrice γ au cours d'un traitement subsolvus ont été déterminées. L'effet sur la recristallisation dynamique des paramètres thermomécaniques, tels que le niveau, la vitesse et la température de déformation, a été étudié en détail dans le domaine subsolvus de l'alliage. L'évolution de la microstructure pendant la mise en solution, i.e en régime de croissance de grains, a été analysée à partir de différentes microstructures initiales. En outre, un modèle de croissance de grain en champ moyen en présence de précipités γ', a été calibré et validé pour l'alliage René 65. Ce travail permet de mieux comprendre le comportement en mise en forme des superalliages à base de nickel γ-γ', dans le domaine subsolvus, c'est-à-dire dans un contexte de forte interaction et de couplage entre la matrice γ et les précipités γ'. En conclusion, les résultats obtenus s'avèrent également industriellement important pour, à l'avenir, optimiser le procédé de forgeage à chaud de cet alliage
Analyse thermomécanique du procédé de fabrication additive WAAM à l'aide d'un métamodèle basé sur des entités NURBS
No full textAdditive manufacturing (AM) technologies are now at the centre of Industry 4.0, as they enable the production of parts with complex shapes that are impossible to obtain using traditional processes. Among these technologies, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) stands out for its low cost and high efficiency. However, this technology requires a detailed understanding of local thermomechanical phenomena, particularly when generating complex trajectories. For this reason, the integration of finite element (FE) simulations into the WAAM process is essential to its development.Despite its potential, the WAAM process involves complex thermal and mechanical phenomena that can cause distortion, residual stress and deformation due to the high heat input. In order to minimise these undesirable effects, it is the fundamental to incorporate the formalisation of the manufacturing constraints since the preliminary design phases. A high-fidelity parametric FE model has therefore been developed to assess the influence of specific process parameters, such as deposition strategy and deposition feed rate, amount of material and temperature. Although accurate, these models are computationally expensive.By exploiting numerical and experimental results on reference geometries, a phenomenological model or metamodel has been developed. This metamodel, based on NURBS entities, aims to provide a reliable prediction of temperatures and deformations at a reduced computational cost. It is validated and improved by means of an experimental campaign and is used to optimise the WAAM process parameters, while enabling an overall sensitivity analysis.Les technologies de fabrication additive (FA) jouent un rôle central dans l’industrie 4.0 en permettant la production de pièces aux formes complexes impossibles à obtenir par des procédés traditionnels. Parmi ces technologies, la Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) se distingue grâce à son faible coût et sa grande efficacité. Cependant, cette technologie nécessite une compréhension fine des phénomènes thermomécaniques locaux, particulièrement lors de la génération de trajectoires complexes. Pour cette raison, l'intégration des simulations par éléments finis (EF) au procédé WAAM est essentielle à son développement.Néanmoins, le procédé WAAM implique des phénomènes thermiques et mécaniques complexes pouvant causer distorsions, contraintes résiduelles et déformations en raison de l'apport élevé de chaleur. Afin de minimiser ces effets indésirables, la prise en compte des contraintes de fabrication dès la conception est cruciale. Un modèle EF paramétrique haute-fidélité a donc été développé pour évaluer l’influence des paramètres spécifiques du procédé, tels que la stratégie et la vitesse de dépôt, la quantité de matériau et la température. Bien que précis, ces modèles sont coûteux en termes de calcul.En exploitant les résultats numériques et expérimentaux sur des géométries de référence, un modèle phénoménologique ou métamodèle a été élaboré. Ce métamodèle, basé sur les entités NURBS, vise à fournir une prédiction fiable des températures et déformations avec un coût de calcul réduit. Il est validé et amélioré grâce à une campagne expérimentale et est utilisé pour optimiser les paramètres du procédé WAAM, tout en permettant une analyse de sensibilité globale
Mécanismes de détergence sous écoulement
No full textThis thesis investigates the mechanisms of oil droplet detachment under flow from a surfactant solution. A model system was selected for its ability to form microemulsions with properties varying with salinity. This system allows for huge variations in interfacial tension (three orders of magnitude), even below the critical micelle concentration (CMC), which facilitates the observation of capillary phenomena. We developed an innovative experimental setup that enables the creation of monodisperse droplets, attachment to a glass surface in a rectangular channel, and exposure to a controlled flow of surfactant solutions. This setup allowed us to modulate both flow conditions and surfactant composition to address the central question: how to effectively remove an oil droplet from a solid surface in the presence of a surfactant flow?When the flow rate is sufficiently high, the oil droplet detaches due to viscous shear. Detachment occurs when the capillary force is no longer sufficient to counterbalance the viscous drag. In our system, the contact surface is trapped, and we found that surfactant adsorption on the glass surface affects both interfacial tension and wetting. Higher surfactant concentrations reduce interfacial tension while increasing the contact area. An optimal balance between low interfacial tension and minimal wetting is crucial for effective detachment. This finding explains literature observations that detachment efficiency is not maximized at the minimum interfacial tension but near this threshold. Thus, understanding surfactant adsorption on the solid surface is essential for optimizing practical applications. Above the CMC, we observed that oil solubilizes into micelles under flow. Our results indicate that oil solubilization is limited by micelle adsorption and desorption, rather than just micelle diffusion. Our dynamic approach reveals that the dependence of oil solubilization on flow rate is minimal or negligible.Cette thèse étudie les mécanismes de détergence d’une goutte d’huile sous un écoulement de solution contenant des tensioactifs. Un système modèle a été sélectionné pour sa capacité à former des microémulsions dont la nature varie avec la salinité. Ce système permet de générer des variations importantes (trois ordres de grandeurs) de la tension interfaciale, même en dessous de la concentration micellaire critique (CMC), ce qui facilite l’observation des phénomènes capillaires. Nous avons développé un dispositif expérimental innovant permettant de créer des gouttes monodisperses, de les fixer à une paroi en verre dans un canal rectangulaire, et de les exposer à un écoulement contrôlé de solutions de tensioactifs. Cette configuration a permis de moduler à la fois les conditions d’écoulement et la composition des solutions, afin de répondre à la question principale : comment retirer efficacement une goutte d’huile d’une surface solide en présence d’un écoulement de tensioactifs ?Lorsque l’écoulement est suffisamment rapide, la goutte d’huile se détache sous l’effet du cisaillement visqueux. Le détachement se produit lorsque la force capillaire n’est plus suffisante pour contrebalancer la traînée visqueuse. Dans notre système, la surface de contact est piégée, et nous avons trouvé que l’adsorption des tensioactifs sur la surface en verre affecte la tension interfaciale et le mouillage. Une concentration plus élevée en tensioactifs diminue la tension interfaciale tout en augmentant l’aire de contact. Un compromis optimal entre une faible tension interfaciale et un mouillage minimal est crucial pour une détergence efficace. Ce résultat explique les observations de la littérature montrant que l’efficacité de détergence n’est pas maximale au minimum de tension interfaciale, mais près de ce seuil. Il est donc essentiel de connaître l’adsorption des tensioactifs sur la surface solide pour optimiser les applications pratiques. Au-dessus de la CMC, nous avons observé que l’huile se solubilisait dans les micelles sous écoulement. Nos résultats montrent que la solubilisation de l’huile est limitée par une étape d’adsorption et de désorption des micelles, plutôt que par la seule diffusion des micelles. Notre approche dynamique révèle que la dépendance de la solubilisation de l’huile à la vitesse de l’écoulement est faible ou nulle
Essais sur le changement climatique, l'incertitude et la dynamique des populations
No full textThis PhD thesis manuscript presents three research projects focused on key issues related to climate change, policy design, and demographic impacts. It highlights the importance of integrating uncertainty into climate strategies and exploring the relationship between population dynamics and climate change in an innovative way.In the first chapter, the impact of considering climate uncertainties ex ante on optimal greenhouse gas emission trajectories is analyzed. Using a compact climate model, developed from state-of-the-art physics and calibrated Bayesianly with CMIP6 experiments and historical data, the study reveals a more ambitious CO2 mitigation trajectory in cost-benefit analysis. This results in a reduction of the optimal carbon budget and the maximum average temperature, as well as an increase in the carbon price by 2030. This precautionary effect is also observed when considering probabilistic targets related to climate change indicators.The impact of climate change on fertility is poorly understood and under-studied. Most studies focus on specific regions or extreme events. The second chapter addresses this gap by examining the effect of climate change on fertility in low- and middle-income countries using a fertility rate database for 590 regions in 65 countries, representing 3.8 billion people in 2020. Using this data and weather information, the short-term impacts of temperature and precipitation shocks are first estimated: fertility temporarily decreases nine months after exposure to a temperature shock, while it increases following a precipitation shock during pregnancy, possibly due to a rise in premature births. In the longer term, temperature shocks have little impact on fertility, but positive precipitation shocks are correlated with increased fertility. Projecting these results onto SSP-RCP scenarios estimates the future impacts of climate change on global demographics: under these assumptions, climate change would lead to a significant population increase, particularly in scenarios with the highest warming and in regions with the highest fertility rates.Finally, the study decomposes the carbon footprint by age across many countries. Household budget surveys and a statistical model inspired by a collective household model are used to allocate consumption within households. This allows for the construction of age-specific carbon footprint profiles using Input-Output databases. The study identifies a generally increasing age-related emission profile shaped like a camel, with peaks around ages 30 and 60, related to scale effects within households. Moreover, it shows that population aging has had only a marginal impact on the dynamics of France’s carbon footprint. By decomposing carbon footprint profiles by age, period, and cohort, it is found that some generations, especially those born between 1945 and 1950, have had significantly higher lifetime carbon footprints compared to subsequent generations. Ignoring generational effects leads to an estimation of a minor influence of population aging on greenhouse gas emission trajectories, while incorporating them into the model results in a significant reduction in the cumulative carbon footprint by 2100.Ce manuscrit de thèse de doctorat présente trois projets de recherche axés sur des questions clés liées au changement climatique, à la conception des politiques et aux impacts démographiques. Il souligne l'importance d'intégrer l'incertitude dans les stratégies climatiques et d'explorer la relation entre les dynamiques de population et le changement climatique de manière innovante. Dans un premier chapitre, on analyse l'incidence de la prise en compte textit{ex ante} des incertitudes climatiques sur les trajectoires optimales d'émissions de gaz à effet de serre. A l'aide d'un modèle climat compact, construit à partir de l'état de l'art de la physique et calibré de manière bayésienne sur les expériences CMIP6 et les données historiques, on met en évidence une trajectoire de mitigation des émissions de CO2 plus ambitieuse en analyse coût bénéfice. Celle-ci se traduit par un diminution du budget carbone optimal et de la température maximale moyenne ainsi que par une hausse du prix du carbone en 2030. Cet effet de précaution peut aussi être observé en considérant des cibles probabilisées relative à des indicateurs du réchauffement climatique. L'impact du changement climatique sur la fertilité est mal compris et trop peu étudié. La plupart des études se concentrent sur des régions spécifiques ou des événements extrêmes. Ce deuxième chapitre aborde cette lacune en examinant l'effet du changement climatique sur la fertilité dans les pays à revenu faible et intermédiaire en utilisant une base de données sur les taux de fertilité pour 590 régions dans 65 pays, représentant 3.8 milliards d'habitants en 2020. A partir de cette dernière et avec des données météorologiques on estime tout d'abord les impacts d'un choc de température et de précipitation de court terme : la fécondité diminue de manière temporaire neuf mois après l'exposition à un choc de température, tandis qu'elle augmente en cas de choc lors de la grossesse, peut-être du fait d'un hausse des naissances prématurées. Sur le plus long terme, un choc de température n'a que peu d'incidence sur la fécondité mais un choc positif de précipitation est corrélé avec une augmentation de la fécondité. En projetant les résultats obtenus sur les scénarios SSP-RCP on estime les impacts futurs du réchauffement climatique sur la démographie mondiale : selon ces hypothèses, le réchauffement climatique entrainerait une hausse significative de la population en particulier dans les scénarios avec le réchauffement climatique le plus important et les régions de taux de fécondité les plus élevés. Finalement, on décompose l'empreinte carbone par âge dans de nombreux pays du monde. Pour cela, sont utilisées des enquêtes de budget des ménages et un imputation de la consommation au sein du ménage est permise grâce à un modèle statistique inspiré d'un modèle de ménage collectif. Ensuite, il est possible de construire des profils d'empreinte carbone par âge au moyen de bases de données Entrée-Sortie. On met en évidence un profil d'émission par âge globalement croissant de l'âge et en forme de chameau, avec deux bosses à environ 30 et 60 ans, un phénomène lié aux gains d'échelle au sein du ménage. En outre, on montre que le vieillissement de la population n'a eu qu'une incidence marginale sur la dynamique de l'empreinte carbone française. En décomposant les profils d'empreinte carbone par âge, période, et cohorte et on met en évidence les résultats suivants. Certaines générations, en particulier celles nées entre 1945 et 1950, semblent avoir eu une empreinte carbone tout au long de leur vie significativement plus élevée que les générations suivantes. Ignorer les effets générationnels conduit à estimer que le vieillissement de la population aura une influence faible sur la trajectoire d'émission de gaz à effet de serre, alors que les incorporer dans le modèle aboutit à une réduction importante de l'empreinte carbone cumulée en 2100
Étude hydrodynamique des courses de natation en eau libre
No full textThis works present an hydrodynamic study of open-water swimming races. It is divided in 2 parts. Firstly, we study the interactions between swimmers (called drafting) in groups of 2 or more athletes. Thanks to experimental measurements and Computational Fluid Dynamics calculations, we are able to determine the impact of the relative position of swimmers on the drag they face. Those results allow us to compute an optimal trajectory to overtake an opponent. Secondly, we determine the impact of the currents, in the Seine river, on the strategy to use during the Paris Olympic Games. Our work proves the existence of an optimal trajectory along the path of the race. By making the most of advantageous currents and by avoiding adverse ones, it minimizes the race duration for an isolated swimmer. We also show the existence of an optimal way to spend energy during the race.Ce travail présente une étude physique des courses de natation en eau libre. Deux grands sujets sont abordés. D'abord, nous étudions les interactions entre nageurs (drafting), dans des configurations de nage à 2 athlètes et en peloton. Grâce à des mesures expérimentales et des calculs numériques, nous sommes capable d'évaluer l'impact de la position relative des nageurs sur la force de traînée qu'ils subissent. Ces résultats nous permettent de proposer une trajectoire optimale de dépassement. Ensuite, nous nous intéressons à l'impact des courants de la Seine sur la stratégie à mener lors de la course des Jeux Olympiques de Paris. Nos travaux montrent qu'il existe une trajectoire optimale le long du parcours, qui permet, en profitant des courants favorables et en évitant les courants les plus défavorables, de minimiser le temps de course d'un nageur. De même, il existe aussi une stratégie optimale de dépense énergétique qui permet à un nageur de minimiser son temps de course
Modélisation numérique de la dynamique des dunes marines dans une mer peu profonde dans le contexte d'un parc éolien
No full textMarine dunes, also known as sand waves, are large sedimentary bedforms found on the seabed of shallow shelf seas. They migrate under the combined influence of tidal currents, winds, and waves, moving at rates of up to tens of metres per year. This dynamic behaviour is relevant to human activities, such as renewable energy projects. However, the morphology and dynamics of dunes in open marine environments are not well understood. Most modelling research to date has relied on two-dimensional vertical representations, ignoring lateral variations along the dune crests. Previous studies have largely used simplified hydrometeorological forcing, such as representative tidal currents and winds.The present research aims to extend our knowledge of marine dune dynamics and modelling over time and space scales ranging from days to years and metres to kilometres. It also seeks to advance our understanding of the interactions between marine dunes and offshore wind farm (OWF) foundations. To achieve this, we have developed a three-dimensional (3D) coastal area model using the openTELEMAC system for an application offshore Dunkirk, France. The area, proposed site for a 600 MW offshore wind project, is characterised by large marine dunes.Extensive site-specific surveys have been conducted, providing data to characterise the meteorological forcing, hydrodynamics, sedimentology, and morphodynamics of the area. The region is influenced by strong tidal flows, with near-bed currents up to 0.9 m/s, and winds predominantly from the southwest and, to a lesser extent, from the north. The seabed is mainly composed of reasonably well sorted gravelly sands with median grain sizes between 240 µm and 450 µm. There is little evidence of spatial or seasonal trends in the sediment data. The surveys document the evolution of large marine dunes with heights between 2 m and 3 m, travelling at a net rate of approximately 30 m/year.Our 3D numerical model, validated with the in situ data, was shown to accurately simulate hydrodynamics and dune dynamics. Simplifying assumptions excluded wave effects and focused on bedload transport. Two sediment transport predictors were evaluated in detail: the Soulsby and van Rijn predictor (SvR97), which was noted for its robustness and suitability for long-term modelling, and the Soulsby and Damgaard predictor (SD05), which accurately reflected the morphology of the dune but produced instabilities in the long term. Therefore, the SvR97 predictor was used in our research.To determine the contribution of wind-induced currents compared to tide-induced currents to the dynamics of large marine dunes, a 4-month period was simulated, with and without meteorological effects included in the numerical model. The results show that the migration of marine dunes is closely related to the amplitude and direction of the residual flow, which are influenced by wind conditions. Therefore, meteorological forcing is necessary to accurately represent seabed changes over time. Although deviations in wind direction from the prevailing pattern have the potential to temporarily reverse the general migration trend, they are too sporadic to fundamentally alter the sediment dynamics in the study area.To understand the impact of OWF foundations on the dynamics of large marine dunes, exploratory scenarios with a single monopile were run for a period of 2 years. These scenarios were later extended to a realistic scenario consisting of 46 wind turbines within the proposed Dunkirk OWF footprint. Our results show that monopiles significantly affect their environment, causing dunes to converge towards them along the tidal flow axis, which we linked to the ‘wake effect’. This effect accelerates dune propagation, highlighting the need for careful siting of wind turbines to mitigate impacts on dune fields. These findings bridge the gap between studies at the OWF level and those at the monopile level.Les dunes marines sont de grandes formes sédimentaires présentes au fond des mers épicontinentales peu profondes. Sous l'influence des courants de marée, vents et vagues, elles peuvent migrer jusqu’à des dizaines de mètres par an, et impacter les projets d'énergie renouvelable. Cependant, la morphologie et la dynamique des dunes dans les environnements marins ouverts ne sont pas bien comprises. Les recherches menées jusqu'à présent en modélisation se sont appuyées sur des représentations verticales bidimensionnelles, ignorant les variations latérales le long des crêtes de dunes, et utilisant des forçages hydrométéorologiques simplifiés.La contribution présente vise à étendre notre connaissance de la dynamique et de la modélisation des dunes marines sur des échelles de temps de jours à années et d'espace de mètres à kilomètres, et à améliorer notre compréhension des interactions entre les dunes marines et les fondations de parcs éoliens en mer. Pour ce faire, nous avons développé un modèle tridimensionnel (3D) avec le système openTELEMAC pour une application dans le sud de la mer du Nord, au large de Dunkerque, France. Cette zone, proposée pour un projet éolien en mer de 600 MW, est caractérisée par de grandes dunes marines.Le forçage météorologique, l'hydrodynamique, la sédimentologie et la morphodynamique de la zone ont été caractérisés grâce à des données spécifiques au site. La région est influencée par de forts courants de marée, pouvant atteindre 0,9 m/s près du fond, et des vents provenant principalement du sud-ouest et, dans une moindre mesure, du nord. Les fonds marins sont principalement composés de sables graveleux raisonnablement bien triés, dont la taille médiane des grains se situe entre 240 µm et 450 µm, sans tendances spatiales ou saisonnières. De grandes dunes marines d'une hauteur comprise entre 2 et 3 m se déplacent à une vitesse nette d'environ 30 m/an.Notre modèle numérique 3D, validé avec ces données in situ, simule avec précision l'hydrodynamique et la dynamique des dunes. Les effets des vagues sont exclus. Deux prédicteurs de transport de sédiments ont été évalués en détail : le prédicteur de Soulsby et van Rijn (SvR97), qui a été noté pour sa robustesse et son aptitude à la modélisation à long terme, et le prédicteur de Soulsby et Damgaard (SD05), qui a reflété avec précision la morphologie des dunes mais provoque des instabilités à long terme. C'est donc le prédicteur SvR97 qui a été utilisé dans notre recherche.Afin de déterminer la contribution à la dynamique des dunes marines des courants induits par le vent par rapport aux courants de marées, une période de 4 mois a été simulée, avec et sans effets météorologiques. Les résultats montrent que la migration des dunes est étroitement liée à l'amplitude et à la direction du courant résiduel, qui sont influencées par les conditions de vent. Par conséquent, le forçage météorologique est nécessaire pour représenter avec précision les changements du fond marin au fil du temps. Bien que des déviations de la direction du vent par rapport à la tendance dominante puissent temporairement inverser la direction de migration, elles sont trop sporadiques pour modifier fondamentalement la dynamique sédimentaire de la région.Pour comprendre l'impact des fondations des éoliennes sur la dynamique des dunes marines, des scénarios exploratoires avec un seul monopieu ont été exécutés sur une période de 2 ans. Ces scénarios ont ensuite été étendus à un scénario réaliste comprenant 46 éoliennes dans le parc de Dunkerque. Nos résultats montrent que les monopieux ont un impact significatif sur leur environnement, provoquant la convergence des dunes le long de l'axe des courants de marée, ce que nous avons lié à l'« effet de sillage », qui accélère la propagation des dunes. Une implantation soigneusement étudiée des éoliennes est donc nécessaire pour atténuer les impacts sur les champs de dunes
Réduction de modèles paramétriques en électromagnétisme basse fréquence
No full textNumerical models based on the Finite Element (FE) method are now the standard to study low frequency electromagnetic devices. Due to the high computational time required to solve the large system of equations derived from the FE method, it is practically impossible to couple this system with the system of equations of an external circuit. The Cauer Ladder Network (CLN) method has been introduced to construct a reduced model of magneto-quasistatic (MQS) FE models. In this case, this method enables the construction of an equivalent electrical circuit based on resistors and inductors as well as a reduced basis of small size where the solution of a reduced problem is sought. In this thesis, first, a general framework of the CLN method is proposed for MQS problems for the different potential formulations. Second, we propose to extend the applicability of the CLN method to the development of reduced models for FE electro-quasistatic (EQS) models, which leads to an equivalent circuit composed of resistors and capacitors. Third, we propose to extend the CLN method to the reduction of parameterized MQS and EQS problems based on two methods (Multimoment Matching method and interpolation of projection subspaces). All the proposed methods are tested and compared on realistic examples in the MQS and EQS cases.Les modèles numériques basés sur la méthode des Eléments Finis (EF) sont désormais la norme pour étudier les dispositifs électromagnétiques en basse fréquence. En raison du temps de calcul élevé nécessaire pour résoudre le système d'équations de grande taille du modèle EF, il est pratiquement impossible de coupler ce système avec les équations du circuit extérieur. La méthode du « Cauer Ladder Network » (CLN) a été largement étudiée pour construire un modèle réduit du problème magnétodynamique (MQS) résolu par la MEF. Dans ce cas, cette méthode permet de construire un circuit électrique équivalent basé sur des résistances et des inductances ainsi qu'une base réduite où une approximation du modèle EF est recherchée. Dans cette thèse, nous proposons tout d'abord un cadre général permettant de déterminer le modèle CLN pour les formulations en potentiels dans le cas MQS. Ensuite, nous proposons d'appliquer la méthode CLN au développement de modèles réduits dans le cas de problèmes électroquasistatiques (EQS), qui conduit à un circuit équivalent composé de résistances et de capacités. Enfin, nous proposons d'étendre la méthode CLN aux problèmes MQS et EQS paramétrés en utilisant la méthode dite « Multimoment Matching » et une méthode d'interpolation de sous espace. Toutes les méthodes développées sont testées et comparées sur des exemples réalistes dans le cas MQS et EQS