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Dynamique hors équilibre dans les systèmes chargés et de matière molle
No full textIn this thesis, we examine three interrelated problems within the domain of non equilibrium statistical physics using theoretical tools. These problems share the existence of long range correlations where stationary flows and disorder prevent reaching an equilibrium state. Using the distinct properties of these systems we explore different aspects of non equilibrium states. The first problem centers around the examining temporal responses of ionic systems, subject to a quench of an external electric field. In particular,we study the response of the density-density correlation functions and induced electric currents.Leveraging Stochastic Density Functional Theory and integrating hydrodynamic interactions, we analyse the total electric current as a function of ionic density-density correlation functions. The correlations do not follow the same trajectory when the field is switched on or off. Accordingly, the current decays exponentially when the field is switched off, yet it relaxes algebraically to its stationary value when the field is switched on, rooted in a non-linear effect. Moreover we demonstrate that the long range behavior of the correlations is dominated by an anisotropic diffusion process, which accounts for the algebraic decay of the currents. The second problem explores the anomalous decrease in the glass-transition temperature observed in thin freestanding polymer films of high molecular weight. We critically assess the de Gennes' sliding mechanism, which proposes a hypothetical relaxation mode by considering the exactstatistics of finite-sized random walks confined between two planes. Our findings challenge the hypothesis, indicating that the sliding mechanism cannot capture the main features observed in the experiments, thus necessitating a new theoretical approach. The third problem revolves around the study of dense granular flows down inclined planes. Analyzing discrete element method simulations, we recover critical features of granular flows; including the existence of a critical stress, the Bagnold velocity profile, and distinct friction and dilatancy laws. Our microscopic analysis uncovers the formation of grain clusters. These insights permit the development of a theoretical scaling model, providing a comprehensive understanding of the principles governing dense granular flows.L’objet de cette thèse est l’étude théorique de trois problèmes croisés en physique statistique hors équilibre. Le premier concerne l'étude de la réponse temporelle d'un système ionique soumis à une variation brusque d'un champ électrique extérieur. En particulier, nous étudions le comportement des fonctions de corrélation densité-densité et des courants électriques induits. En nous appuyant sur la théorie de la densité fonctionnelle stochastique et en intégrant les interactions hydrodynamiques, nous effectuons une étude complète du courant électrique total en fonction des corrélations ioniques. Nous montrons que les corrélations ne suivent pas la même trajectoire lorsque le champ est activé ou désactivé.Ainsi, le courant décroît exponentiellement lorsque le champ est désactivé, alors qu'il décroit algébriquement jusqu'à sa valeur stationnaire lorsque le champ est activé. Cette différence est due à un effet non linéaire. De plus, nous démontrons que le comportement à long terme des corrélations est dominé par un processus de diffusion anisotrope, ce qui explique la décroissance algébrique des courants. Le deuxième problème explore la diminution anormale de la température de transition vitreuse observée dans les films minces de polymères autoportés de haut poids moléculaire. En considérant les statistiques exactes de marches aléatoires de taille finie confinées entre deux plans, nous évaluons de manière critique le mécanisme original de relaxation proposé par de Gennes. Nos résultats indiquent que ce mécanisme ne permet pas d'expliquer les principales caractéristiques observées dans les expériences et qu'une nouvelle approche théorique s'avère donc être nécessaire. Enfin, le troisième problème se trouve dans l'étude des écoulements granulaires denses le long de plans inclinés. En analysant les simulations obtenues par la méthode des éléments discrets, nous retrouvons les caractéristiques essentielles des écoulements granulaires, notamment l'existence d'une contrainte critique, le profil de vitesse de Bagnold et des lois de frottement et de dilatation distinctes. Notre analyse microscopique détaillée met en évidence la formation d'amas de grains. Ces connaissances permettent le développement d'un modèle théorique de lois d'échelle, offrant une meilleure compréhension des principes régissant les écoulements granulaires denses
Analyse des risques hydromécaniques des tunnels sous-marins avec des revêtements en voussoirs traversant des failles ou des formations fracturées
No full textIn countries with many islands (Korea, Singapore, Japan, the Philippines, etc.), as a means of connecting land to land, submarine tunnel are needed and their design highly challenging due to high water pressures existing around the tunnel and ignorance of the ground environment. The «Busan-Tsushima» submarine tunnel project, the shortest distance from Korea to Japan, meets the Yangsan submarine fault zone (active fault). Therefore, it is essential to consider the fault zone when designing this submarine tunnel.This research was initiated with an investigation of geographic and geophysical properties (empirical method) of the Busan-Tsushima seabed between Korea and Japan.To analyze hydraulic pressure effects, we proceeded to find an appropriate method in numerical modeling with adequate load paths (drainage & non-drainage) by using a Finite Element code (Disroc-FEM).First, we compared the theoretical results and numerical analysis modeling results according to various conditions and focused on the estimation of the amount of inflow into the tunnel for different hydraulic properties of the lining and the ground.The modeling considers a sophisticated tunnel segment-joint model in in which the segment lining is modeled as a bulk material rather than a single beam model often used in existing 2D simulations. This model has the advantage of performing a more complete numerical analysis of the lining behavior and take into account elastoplastic ground behavior. As a matter of fact, existing studies in the literature were limited to elastic soil behavior. The volume-type continuum segment lining was modeled and first compared to existing theoretical models and then to the numerical analysis results for one-ring lining. Theses comparisons showed the advantages of bulk lining model compared to the beam model. Then, in response to the convergence stage (deconfinement ratio) of excavation with bulk segment lining, the influence of the interface (grouting, tail void gap) between the lining and the ground was analyzed. In this part, a comparative analysis was performed for different classes of rock properties and different horizontal earth pressure ratios. It was found that the non-linear stress-strain relationship between for the soil-lining contact could control the final load supported by the lining. Finally, the effects of the joint properties between segment elements of the lining were analyzed.For long-term analysis of low-depth soft ground tunnel under drained and undrained conditions, the effects of the hydraulic properties of the interface and the ground with different Biot coefficients were analyzed. This analysis provided also the stress evolution around the tunnel with taking into account the segment's joints with highly non-linear mechanical behavior.Due to complex geological conditions, an analysis of segmented tunnels with different locations in respect to the fault zone was performed. Fault zones with very poor mechanical properties, compared to the ground properties around the tunnel, were considered under different hydraulic and conditions and the related hydraulic and mechanical integrity risks were analyzed. The results of this analysis can pave the road for a design of the lining structure to prevent some unexpected risk situations.The hydromechanical analyses for undrained conditions were performed for elastic behavior of the lining and the ground. The evolution under undrained conditions for elastoplastic materials showed some numerical difficulties the investigation of which constitutes the perspective of the present work.Le projet de tunnel sous-marin «Busan-Tsushima», la plus courte distance de la Corée au Japon, rencontre la zone de faille sous-marine de Yangsan (faille active). Par conséquent, il est essentiel de considérer la zone de faille lors de la conception de ce tunnel sous-marin.Cette recherche a été initiée par une étude des propriétés géographiques et géophysiques (méthode empirique) du fond marin de Busan-Tsushima entre la Corée et le Japon.Pour analyser les effets de la pression hydraulique, nous avons procédé à la recherche d'une méthode appropriée dans la modélisation numérique avec des chemins de charge adéquats (drainage et non-drainage) en utilisant un code d'éléments finis (Disroc-FEM).Dans un premier temps, nous avons comparé les résultats théoriques et les résultats de la modélisation de l'analyse numérique selon diverses conditions et nous nous sommes concentrés sur l'estimation de la quantité d'afflux dans le tunnel pour différentes propriétés hydrauliques du revêtement et du sol.La modélisation considère un modèle sophistiqué de joint de segment de tunnel dans lequel le revêtement de segment est modélisé comme un matériau en vrac plutôt qu'un modèle de poutre unique souvent utilisé dans les simulations 2D existantes. Ce modèle a l'avantage de réaliser une analyse numérique plus complète du comportement du revêtement et de prendre en compte le comportement élastoplastique du sol. En fait, les études existantes dans la littérature se sont limitées au comportement élastique du sol. Le revêtement du segment de continuum de type volume a été modélisé et d'abord comparé aux modèles théoriques existants, puis aux résultats d'analyse numérique pour le revêtement à un anneau. Ces comparaisons ont montré les avantages du modèle de revêtement massif par rapport au modèle de poutre. Puis, en réponse à l'étape de convergence (taux de déconfinement) de l'excavation avec le revêtement du segment massif, l'influence de l'interface (injection, écart de queue) entre le revêtement et le sol a été analysée. Dans cette partie, une analyse comparative a été effectuée pour différentes classes de propriétés rocheuses et différents rapports de pression horizontale des terres. Il a été constaté que la relation contrainte-déformation non linéaire entre le contact sol-revêtement pouvait contrôler la charge finale supportée par le revêtement. Enfin, les effets des propriétés des joints entre les éléments de segment du revêtement ont été analysés.Pour l'analyse à long terme d'un tunnel de sol mou de faible profondeur dans des conditions drainées et non drainées, les effets des propriétés hydrauliques de l'interface et du sol avec différents coefficients de Biot ont été analysés. Cette analyse a également fourni l'évolution des contraintes autour du tunnel en prenant en compte les joints du tronçon à comportement mécanique fortement non linéaire.En raison de conditions géologiques complexes, une analyse de tunnels segmentés avec différents emplacements par rapport à la zone de faille a été réalisée. Les zones de failles aux propriétés mécaniques très médiocres, par rapport aux propriétés du sol autour du tunnel, ont été considérées dans différentes conditions hydrauliques et les risques d'intégrité hydraulique et mécanique associés ont été analysés. Les résultats de cette analyse peuvent ouvrir la voie à une conception de la structure de revêtement pour prévenir certaines situations à risque imprévues.Les analyses hydromécaniques en conditions non drainées ont été réalisées pour le comportement élastique du revêtement et du sol. L'évolution en conditions non drainées des matériaux élastoplastiques a montré quelques difficultés numériques dont l'investigation constitue la perspective du présent travail
Influence des émissions anthropiques sur la formation d'aérosol organique en fonction des caractéristiques physico-chimiques de l'environnement
No full textSecondary organic aerosols (SOAs) affect air quality, climate, and human health. In the troposphere, volatile organic compounds (VOCs) can undergo multi-generation chemistry, and their oxidation products can condense onto existing particles to form SOAs. Consequently, SOA formation involves numerous reactions and species, depending on environmental conditions.Our up-to-date understanding of SOA formation can be described by detailed VOC mechanisms (e.g., the Master Chemical Mechanism (MCM) and the Peroxy Radical Autoxidation Mechanism (PRAM)). However, due to computational limitations, chemistry-transport models (CTMs) are unable to directly employ detailed SOA mechanisms but use rather implicit mechanisms with only a few model species and reactions. These implicit mechanisms are usually built from chamber measurements and may lack the necessary complexity to accurately represent the concentrations of organic particles.Typically, SOA concentrations are predicted to decrease due to emission regulations, particularly in rural and peri-urban areas where oxidant concentrations are expected to decrease. However, some studies suggest that reducing anthropogenic emissions, especially nitrogen oxides (NOx), may not lead to an efficient decrease in SOA concentration but may even increase it.With highly simplified implicit SOA mechanisms, this complex interaction between emission reduction and SOA formations may not be reliably simulated in CTMs. Therefore, there is a need to improve the representation of SOA formation in CTMs, especially for emission regulation evaluation.To address this issue, the GENerator of Reduced Organic Aerosol Mechanisms (GENOA) has been developed. GENOA reduces detailed chemical mechanisms into semi-explicit SOA mechanisms that are small enough to be used for regional CTM simulations. The obtained SOA mechanisms can be customized by users to the desired accuracy, and preserve the physicochemical properties of SOA. GENOA v1.0 was applied to the sesquiterpene (SQT) SOA formation mechanism from MCM, resulting in a reduced SOA mechanism within 2% of the MCM size and introducing an average error of less than 3%. To improve the reduction efficiency and to process mechanisms of multiple SOA precursors simultaneously, a parallel reduction approach is employed in GENOA v2.0 GENOA v2.0 was applied to the mechanisms (MCM + PRAM) of three monoterpenes (MTs), where the mechanism is reduced up to 93% with an error of less than 3%.The GENOA-generated biogenic SOA mechanism (GBM), including MT and SQT SOA schemes trained with GENOA v2.0, was then implemented in the CTM model CHIMERE. Simulations with GBM over Europe during summer (June-August, 2018) estimate more oxidized OAs with higher concentration than those simulated with the implicit Hydrophilic/Hydrophobic Organics (H²O) mechanism. The GBM mechanism leads to an improvement of the model to measurement comparisons for organic aerosol concentrations.With a 50% reduction in NOx anthropogenic emissions, the GBM mechanism predicts an increase in total SOA (6.5%) due to an increase in MT SOA (15%). When NOx is reduced, the formation of highly oxygenated molecules (HOMs) by auto-oxidation is enhanced, leading to an increase in MT SOA concentration. The decrease of NOx concentrations also favors chemical pathways resulting in an increase of MT non-HOM concentrations.Overall, this work shows that detailed SOA mechanisms are necessary for CTMs to preserve the variations in the physical-chemical environment of the SOA concentrations, and to accurately evaluate the impact of emission reduction scenarios.Les aérosols organiques secondaires (AOS) affectent la qualité de l'air, le climat et la santé humaine. Dans la troposphère, les composés organiques volatils (COV) peuvent subir une chimie multigénérationnelle, et leurs produits d'oxydation se condenser sur les particules existantes pour former des AOS. Ainsi, leur formation implique de nombreuses réactions et espèces, et dépend des conditions environnementales. Notre compréhension actuelle de la formation des AOS peut être décrite par des mécanismes chimiques détaillés (par exemple, le Master Chemical Mechanism (MCM) et le Peroxy Radical Autoxidation Mechanism (PRAM)). Cependant, en raison de limitations en temps de calcul, les modèles de chimie-transport (MCT) ne peuvent pas les utiliser directement. Ils utilisent plutôt des mécanismes implicites avec seulement quelques espèces modèles et réactions. Ces mécanismes implicites sont généralement construits à partir de mesures en chambre et peuvent ne pas avoir la complexité nécessaire pour simuler avec précision les concentrations en aérosols organiques. Généralement, on estime que les concentrations d'AOS diminueront en raison des réglementations sur les émissions, en particulier dans les zones rurales et périurbaines où les concentrations d'oxydants devraient diminuer. Cependant, certaines études suggèrent que la réduction des émissions anthropiques, en particulier des oxydes d'azote (NOx), peut ne pas conduire à une diminution efficace des concentrations d'AOS mais peut même les augmenter. Avec des mécanismes implicites d'AOS hautement simplifiés, cette interaction complexe entre la réduction des émissions et la formation d'AOS pourrait ne pas être simulée de manière fiable dans les MTC. Pour améliorer la formation des AOS dans les MTC, le GENerator of Reduced Organic Aerosol Mechanisms (GENOA) a été développé. GENOA réduit les mécanismes chimiques détaillés en mécanismes d'AOS semi-explicites qui sont suffisamment petits pour être utilisés dans les MCT. Les mécanismes obtenus peuvent être personnalisés par les utilisateurs selon la précision souhaitée, et préservent les propriétés physico-chimiques des AOS. GENOA v1.0 a été appliqué au mécanisme de formation des AOS de sesquiterpène (SQT) à partir de MCM, résultant en un mécanisme dont la taille est réduite à moins de 2% de celle du MCM avec une erreur moyenne inférieure à 3%.Pour améliorer l'efficacité de la réduction et traiter les mécanismes de plusieurs précurseurs d'AOS simultanément, une approche de réduction parallèle est utilisée dans GENOA v2.0. Pour les mécanismes (MCM + PRAM) de trois monoterpènes (MTs), le mécanisme global est ainsi réduit de 93% avec une erreur inférieure à 3%.Le mécanisme d'AOS biogénique généré par GENOA v2.0 (GBM), comprenant les schémas d'AOS pour MT et SQT, a ensuite été implémenté dans le MCT CHIMERE. Les concentrations simulées avec GBM sur l'Europe pendant l'été (juin-août, 2018) sont plus élevées que celles simulées avec le mécanisme implicite Hydrophilic/Hydrophobic Organics (H²O), et les AOS sont plus oxydés. Le mécanisme GBM améliore les comparaisons modèle/mesures pour les concentrations en aérosol organique. Avec une réduction de 50% des émissions anthropiques de NOx, le mécanisme GBM prédit une augmentation des AOS (6,5%) due à une augmentation des AOS provenant de MT (15%). Les réductions de NOx favorisent la formation de molécules hautement oxygénées (HOM) par auto-oxydation, entraînant une augmentation de la concentration en AOS provenant de MT. La diminution des concentrations de NOx favorise également les voies chimiques entraînant une augmentation des concentrations d'AOS non-HOM provenant de MT. Dans l'ensemble, ce travail montre que les mécanismes détaillés d'AOS sont nécessaires aux MCT pour simuler les variations des concentrations d'AOS selon l'environnement physico-chimique, et pour évaluer avec précision l'impact de scénarios de réduction des émissions
Imagerie optique speckle du débit sanguin cérébral : développements pour l’imagerie en temps-réel en contexte clinique et préclinique
No full textObesity has major repercussions on public health. In obese people, increased inflammation and insulin resistance are observed, leading to cerebrovascular problems and increased susceptibility to neurodegenerative diseases. Vascular fragility can also lead to serious complications such as stroke. Assessment of blood flow regulation is therefore crucial in metabolic disorders. Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a high-resolution technique widely used in preclinical imaging, particularly in the brain, to map blood flow at the tissue surface in vessels with a diameter of 10 micrometers. Multi-exposure speckle imaging (MESI) improves flow quantification, particularly in the presence of static diffusers (i.e. skin, bone). MESI imaging has a number of advantages: it's a contactless (no contact with the tissue), tracer-free technique and portable to the patient's bed. However, its implementation requires relatively complex instrumentation and, above all, computationally-intensive post-analysis, based on pixelwise fitting of a non-linear model linking speckle contrast with scatterers’ decorrelation time. These limitations have so far prevented the use of the technique in clinical applications, as existing commercial devices are all based on the single-exposure S-LSCI approach. In this challenging context, we have evaluated two new instrumental and methodological approaches to overcome these challenges. Firstly, MESI data acquisition using synthetic exposure was implemented and compared to the modulated exposure classically used in MESI. In vitro, using microfluidic channels representative of microcirculation physiology, and in vivo, on a mouse model of obesity, we have shown that synthetic MESI acquisition makes it possible to assess relative flow variations, provided that the effect of instrumental noises on speckle contrast is properly assessed and corrected. The effect of various experimental biases (spatial undersampling and the effect of global movements) was also studied. Secondly, the use of neural networks was evaluated as an alternative to non-linear fitting for the extraction of blood flow maps in near-real time. A convolutional network (Res3D-Net) was trained and validated using a database of experimental speckle contrast images obtained in vitro using synthetic exposures for different flow rates and channel diameters. It demonstrated its ability to predict relative flow variations, with greater robustness and linearity than that obtained by fitting a non-linear model. The optimized MESI system was then used to study blood flow variations in the branch of the middle cerebral artery (MCA), irrigating the somatosensory cortex, imaged in response to whiskers stimulation in a mouse model of obesity. The study of obese mice shows the negative impact of obesity on the regulation of cerebral blood flow and suggests ways of correcting diet by balancing ω-3/ω-6 polyunsaturated fatty acids ratio. Both instrumental and methodological avenues for improvement are discussed for blood flow quantification to lower the systematic underestimation of flow variations measured between the neural network and the model-fitting approach. The developments made to the MESI technique during this thesis pave the way for the study of relative blood flow changes at the microvascular level with an analysis time compatible with real-time clinical applications.L'obésité a des répercussions importantes sur la santé publique. Chez les personnes obèses, une augmentation de l'inflammation et de la résistance à l'insuline est observée dans le cerveau, ce qui entraîne des problèmes vasculaires cérébraux et une susceptibilité accrue aux maladies neurodégénératives. La fragilité vasculaire peut également entraîner des complications graves telles que les accidents vasculaires cérébraux. Le suivi du débit sanguin est donc crucial dans les pathologies métaboliques. L'imagerie du contraste speckle (LSCI) est une technique à haute résolution largement utilisée en imagerie préclinique, notamment cérébrale pour cartographier le débit sanguin à la surface des tissus dans des vaisseaux dont les diamètres sont de 10 micromètres. L'approche multi-exposition (MESI) améliore la quantification du débit, en particulier en présence de diffuseurs statiques (i.e. peau, os). L’imagerie MESI possède de nombreux atouts: c’est une technique sans contact avec le tissu, sans traceur et portable au lit du patient. Cependant, sa mise en œuvre nécessite une instrumentation relativement complexe et surtout une post-analyse lourde en temps de calcul, puisqu’elle est basée sur l’ajustement pixel par pixel d’un modèle non-linéaire reliant le contraste speckle au temps de décorrélation des diffuseurs. Ces limites ont jusqu’ici empêché ses applications en clinique, les appareils commerciaux existants reposant tous sur l’approche simple exposition S-LSCI. Dans ce contexte, nous avons évalué deux nouvelles approches instrumentales et méthodologiques pour lever ces verrous. Dans un premier temps, l’acquisition de données MESI en exposition synthétique a été mise en œuvre et comparée à l'exposition modulée classiquement utilisée en MESI. In vitro, en utilisant des canaux microfluidiques représentatifs de la physiologie de la microcirculation, et, in vivo, sur un modèle murin de l’obésité, nous avons montré que l’acquisition MESI synthétique permet d’évaluer des variations relatives de débit, à condition que l’effet des bruits instrumentaux sur le contraste speckle soient bien évalués et corrigés. La prise en compte des différents biais expérimentaux (sous-échantillonnage spatial et effet des mouvements globaux) a également été étudiée. Dans un second temps, l’utilisation de réseaux neuronaux a été évaluée comme alternative à l'ajustement non-linéaire pour l'extraction des cartes de flux sanguin en temps quasi-réel. Un réseau convolutif (Res3D-Net) a été entraîné et validé à l’aide d’une base de données d’images de contraste speckle expérimentales obtenues en exposition synthétique in vitro pour différents débits et différents diamètres de canaux. Il a montré sa capacité à prédire les variations relatives de débit, avec une robustesse et une linéarité supérieure à celle obtenue avec ajustement d’un modèle non-linéaire. Le système MESI optimisé a ensuite été utilisé pour étudier les variations du flux sanguin de la branche de l'artère cérébrale moyenne (MCA) qui irrigue le cortex somatosensoriel en réponse à la stimulation des vibrisses dans un modèle murin d'obésité. L'étude de souris obèses montre l'impact de l'obésité sur la régulation du débit sanguin cérébral et propose des pistes de correction de l’alimentation par équilibrage du rapport ω-3/ω-6 des acides gras polyinsaturés. En perspectives, des pistes d’améliorations tant instrumentales que méthodologiques sont discutées, notamment en termes de quantification du débit sanguin, pour aboutir à une meilleure évaluation systématique des variations de débits mesurées entre le réseau de neurones et la méthode par ajustement de modèle. Les développements apportés à la technique MESI au cours de cette thèse ouvrent la voie pour l’étude des changements relatifs du débit sanguin au niveau microvasculaire avec une durée d’analyse compatible avec les applications cliniques en temps-réel
Analyser les matériaux et la mise en oeuvre des céramiques dites de Saint-Porchaire (XVIème siècle)
No full textSaint-Porchaire ceramics are fineware produced in France during the XVIth century, of which around 60 piece remain today, in museum all over the world. Their specificity lies not only in their fine and intricate décor, made of inlaid clay sheets of various colours that are under the glaze, but also in their very white ceramic body. Very few historic sources are available concerning their production and during the XIXth century, the rediscovery of the objets led to the uttering of many copies on the market.The first aim of this thesis work was to characterize the constitutive materials (ceramic body, décor and glaze) of objects from French museums with mostly non destructive techniques. This allowed for the establishment of reliable authentication criteria, as well as comparison with contemporary white-paste ceramics found in archeological excavations (commonware from the Saint-Porchaire region and fragments from the Parisian workshop of Bernard Palissy).Then, white clays from the Saint-Porchaire region (Deux-Sèvres, France) were samples characterized from a mineralogical and chemical point of view in order to evaluate their possible us as a source material for the ceramic bodies. Firing tests were performed on these refractory clays, and the use of phases produced by the thermal decomposition of kaolinite as temperature markers then led to assess a firing temperature for the objectsFinally, the diffusion of aluminium and iron from clay pastes to lead glazes was studied to corroborate results obtained on the underglaze clay decors of the objects through non-destructive analysis. For this purpose, glazed tiles were synthetized to mimic Saint-Porchaire ceramics and studied with a multi-analytical approach (IBA, LIBS, SEM-EDX).Les céramiques de Saint-Porchaire sont une production de la Renaissance française, dont on compte environ 60 pièces aujourd'hui dans les collections des musées en France et à l'étranger. Leur spécificité réside tout d'abord dans leurs décors fins, réalisés à partir d'incrustations d'argiles de plusieurs couleurs et recouverts d'une glaçure plombifère transparente ; mais aussi dans leur pâte très blanche. Il existe cependant peu de sources historiques concernant leur origine. D'autre part, la redécouverte de cette production au cours du XIXème siècle a immédiatement entraîné la mise en circulation de copies.Le premier objectif de cette thèse a été de caractériser les matériaux constitutifs des objets de Saint-Porchaire des musées français (pâtes, décors, glaçures) à l'aide de techniques principalement non destructives. L'ensemble des données a permis d'établir des critères d'authentification crédibles et de comparer cette production à d'autres céramiques contemporaines à pâte blanche trouvées en fouilles (dans la région de Saint-Porchaire ou provenant de l'atelier Parisien du célèbre céramiste Bernard Palissy).Dans un second temps, des argiles blanches prospectées dans la région de Saint-Porchaire (Deux-Sèvres, France) ont été étudiées d'un point de vue minéralogique et chimique afin d'évaluer leur possible utilisation comme matière première des pâtes céramiques. L'étude du comportement thermique de ces argiles réfractaires a ensuite permis, en utilisant comme marqueurs thermomètres les phases issues de la décomposition de la kaolinite, de proposer une température de cuisson pour les objets.Enfin, afin de déterminer les différents paramètres agissant sur la diffusion du fer et de l'aluminium de la pâte vers la glaçure plombifère et ainsi de valider les analyses non-destructives réalisées à la surface des glaçures recouvrant les décors des œuvres, des séries de recréations de carreaux glaçurés ont été étudiées avec une approche multi-analytique (IBA, LIBS, MEB-EDX)
Vers de nouveaux matériaux poreux pour l’adsorption d’odeurs de l'air habitacle
No full textThe impact of indoor air pollution is the most pronounced among humans, since about 90% of the time is spent indoors (home, workplace, vehicle ...). The origin of this pollution is partly due to the release of Volatile Organic Compounds (VOCs) that induces various health issues or olfactory discomfort when they are breathed in high concentration or during a prolonged period. Metal-Organic Frameworks (MOFs) appear as very promising materials for their capture. Indeed, their high degree of modularity allows to design the adequate structure and composition according to the targeted application.This Ph.D. project aims at studying the key physico-chemical properties required for MOFs to efficiently adsorb VOCs originating especially from car passenger compartment. The study involved the set-up of two analytical experimental protocols. The first one allowing a selection of materials that are further in-depth analyses by the second one, and coupled with a theoretical study for VOC-MOF interactions modeling. The performance of a series of ten MOFs was therefore evaluated against three typical VOCs under various conditions: pure component, mixture, humidity conditions, under dynamic and static states. Key parameters of the MOFs were thus identified for the efficient capture of VOCs (aromatic spacer, Lewis’s acidity, Bronsted acidity...).La pollution de l’air intérieur est celle à laquelle les êtres humains sont les plus exposés, passant environ 90% de leur temps en environnement intérieur (habitation, lieux de travail, véhicule...). A l’origine de cette pollution, le dégagement de Composés Organiques Volatils (COVs) conduisant, lors d’une exposition forte et/ou prolongée, à des effets sanitaires et/ou gênes olfactives.Les Metal-Organic Frameworks (MOFs) apparaissent comme des solides poreux très prometteurs pour leur capture. En effet, leur haut degré de modularité permet de façonner à dessein leur structure cristalline et leur composition chimique en fonction de l’application cible. Cette thèse vise à déterminer des propriétés physico-chimiques clés et nécessaires aux MOFs pour une adsorption efficace de COVs, en particulier ceux présents dans l’habitacle des véhicules. L’étude menée a impliqué la mise en place de deux protocoles analytiques expérimentaux, le premier permettant une sélection de matériaux qui seront analysés de manière plus approfondie par le deuxième protocole, ainsi qu’une étude théorique pour la modélisation des interactions COV-MOF. Grâce à l’ensemble de ces outils, les performances d’une dizaine de MOFs ont été évaluées pour l’adsorption de trois COVs différents et ce dans des conditions variées : corps purs, mélange de COVs, variabilité dans leurs concentrations, matériaux poreux seuls ou combinés, présence d’humidité, essais statiques ou dynamiques. Des propriétés clés ont ainsi pu être identifiées comme favorables à l’adsorption des COVs (espaceur aromatique, acidité de Lewis, acidité de Bronsted...)
La continuité numérique basée sur l’apprentissage de modèles de transformation : Une approche d'interopérabilité dirigée par les modèles
No full textThe digital transformation of industry is forcing companies to improve digital continuity within their organization by enhancing the ability of their distributed systems to communicate and coordinate their activities to ensure complex tasks, such as smart planning, anomaly detection, and ecological footprint reduction. In an unstable and highly heterogeneous digital environment that is constantly evolving both technically with the emergence of new technologies and organizationally with the increased demands for agility and adaptation of production chains, establishing and maintaining interoperability between systems is a crucial task. Model transformations (MT), the cornerstone of Model-Driven Architecture (MDA), could provide a concrete solution to the requirements of dynamic and sustainable interoperability between systems. A new paradigm using machine learning techniques could simplify the creation and maintenance of MT by automatically learning transformation rules between models. The two contributions in this manuscript are: (1) An application of the Reinforcement Learning (RL) principles, in particular Q-learning, is used to automatically derive transformation rules and learn reusable MT as interoperability functions between metamodels; (2) An experimental protocol to evaluate the ability of approaches to automatically construct MT and meet the requirements of Industry 4.0. A benchmark of existing approaches concludes this work, showing the effectiveness of RL techniques in learning the transformation rules that connect two domain modelling languages.La transformation numérique de l'industrie oblige les entreprises à améliorer la continuité numérique au sein de leur organisation en renforçant la capacité de leurs systèmes distribués à communiquer et à coordonner leurs activités, afin d'assurer des tâches complexes, telles que la planification intelligente, la détection d'anomalies, ou encore, la réduction de l'empreinte écologique des processus industriels. Dans un environnement numérique instable et fortement hétérogène, en constante évolution tant sur le plan technique avec l'émergence de nouvelles technologies que sur le plan organisationnel avec les exigences accrues en matière d'agilité et d'adaptabilité des chaînes de production, l'établissement et le maintien de l'interopérabilité entre les systèmes est une tâche cruciale. Les transformations de modèles, pierre angulaire de l'Architecture Dirigée par les Modèles, pourraient apporter une solution concrète aux exigences d'une intéropérabilité dynamique et durable entre les systèmes. D'autant plus qu'un nouveau paradigme, utilisant des techniques d'apprentissage automatique, pourrait simplifier la création et la maintenance des modèles de transformation en apprenant automatiquement les règles de transformation entre les modèles. Deux contributions sont présentées dans de ce manuscrit: (1) Une application des principes de l'apprentissage par renforcement pour dériver automatiquement les règles de transformation et apprendre des modèles de transformation réutilisables en tant que fonctions d'interopérabilité entre les métamodèles ; (2) Un protocole expérimental pour évaluer et valider la capacité de l'approche proposée à automatiquement inférer des modèles de transformation tout en respectant les spécifications de l'Industrie 4.0. Un benchmark des approches existantes conclut ce travail, montrant l'efficacité des techniques d'apprentissage par renforcement dans l'apprentissage des règles de transformation qui relient deux métamodèles différents
Méthodes avancées pour le diagnostic et le pronostic de structures complexes aéronautiques
No full textThe capability to forecast and schedule maintenance operations represents a major challenge for airlines. Therefore, real-time health monitoring of aeronautical structures is an added-value service. One way to achieve this is to implement an automated procedure to determine the health status of a structure at regular intervals. In this thesis, the objective is to monitor the health of an aeronautical structure (aircraft fan blade), made of a 3D woven composite material following an offline/online strategy. Such an approach relies on using during the online (i.e. exploitation) phase of a database built during the offline (i.e. learning) phase from the responses arising from high-fidelity simulations of artificially damaged structures. The accumulated knowledge can be combined with optimization algorithms allows to solve efficiently an inverse problem in order to detect the onset of a damage (diagnostic) on the one hand, and to identify its nature as well as predict its future behavior (prognosis) on the other hand. However, the construction of a sufficiently predictive database relies on the availability of a rich enough collection of training samples. For that matter, data-oriented and reduced-order modeling techniques offer new opportunities for the numerical simulation of models based on Parameterized Differential Equations. However, it turns out that local damage of a 3D woven composite structure is strongly nonlinear, which makes the limits of the accuracy of usual reduced models. To overcome this difficulty, it is necessary to adapt the classical methodologies with interpolation or local enrichment approaches in a global problem. Moreover, the reduced formulation is compatible with the definition of a statistical framework to implement algorithms to compute optimized sensors locations. Finally, this thesis proposes a set of advanced methods able to couple data and simulations for the identification of damage parameters in complex structures.Pour les compagnies aériennes, disposer d'une bonne visibilité sur les opérations de maintenance prédictive est un enjeu majeur. Dans ce contexte, le contrôle en temps réel de l'état de santé des structures aéronautiques est un service à forte valeur ajoutée. Une manière d'y parvenir consiste à mettre en œuvre une procédure automatisée pour déterminer l'état de santé d'une structure à intervalles réguliers. Dans cette thèse, l'objectif est de surveiller l'état de santé d'une structure aéronautique (aube de soufflante) en composite tissé 3D à travers une méthodologie hors ligne/en ligne. Son principe repose sur l'utilisation en ligne d'une base d'apprentissage construite hors ligne à partir de simulations de la structure endommagée. Combinée à des algorithmes d'optimisation, l'information ainsi capitalisée permet la résolution efficace d'un problème inverse qui permet d'une part de détecter la présence d'un endommagement (diagnostic) et d'autre part d'évaluer ses caractéristiques en temps réel, voire de prédire son évolution future (pronostic). Cependant, il est nécessaire d'obtenir suffisamment de données d'entraînement pour construire une base précise. À cette fin, les approches de modélisation orientées vers la donnée et les méthodologies de réduction de modèle offrent de nouvelles possibilités en matière de simulation numérique de modèles à base d'équations différentielles paramétrées. L'endommagement local d'une structure en composite tissé 3D est fortement non linéaire, ce qui limite la précision des modèles réduits usuels. Il faut donc adapter les méthodologies classiques avec des approches d'interpolation ou d'enrichissement local dans un problème global. De plus, la formulation réduite est compatible avec la définition d'un cadre stochastique et la mise en œuvre d'algorithmes permettant une identification efficace d'emplacements de points de mesure optimisés. Finalement, cette thèse propose un ensemble de méthodes avancées capables de coupler aisément données et simulations pour l'identification de paramètres de dommage de structures complexes
Simulation numérique directe des vagues déferlantes en eaux peu profondes en interaction avec les nappes de pétrole
No full textOil spilled at sea forms oil slicks, which are subsequently entrained into the water and broken up into droplets ranging from submicron to several millimeters by breaking waves. These phenomena significantly affect the fate of the oil film, including its mass transfer, energy exchange, and particle distribution. Therefore, investigating the characteristics of the resulting oil droplets is crucial for understanding the oil dispersion process and its interaction with shallow-water breaking waves. We employ direct numerical simulations (DNS) to investigate the evolution of breaking waves and their impact on oil slicks by reproducing experimental waves generated by a piston-type wave plate. First, we performed two-dimensional DNS of breaking waves using the Basilisk solver to gain a detailed understanding of the wave-breaking process, including the evolution of the free surface, velocity, and vorticity fields. We found that surface tension has a significant effect on the crest overturning process, thickening the width of the plunging jet and shortening the distance that projects forward ahead of the wave. We also applied the conventional dissipation scaling of turbulence theory to the wave-breaking process, establishing a link between the energy dissipation rate and the ratio of the breaking-wave crest to water depth. We then extended the two-dimensional breaking waves DNS to a three-dimensional framework to account for three-dimensional effects on the wave-breaking process and to evaluate the effects of viscosity (represented by Reynolds number, Re) and surface tension (represented by Bond number, Bo) on the characteristics and size distribution of bubbles generated by wave breaking. A higher Bo leads to a greater number of bubbles, with the difference being more pronounced in the range of smaller bubbles. The vertical velocity varies with bubble radius, showing varying rise velocities at different bubble radii under the effect of buoyancy, with larger bubbles rising to the free surface at a faster rate. During the active breaking phase, the depth of the bubble plume remains constant, consistent with the initial height of the main cavity. Finally, we extended the two-dimensional breaking waves DNS to three-phase simulations in the presence of oil slicks on the water surface. Through a parametric study, we analyzed the quantitative dependence of the characteristic oil droplet size on the wave intensity and interfacial tension. We identified a strong dependence of the characteristic droplet diameter on the maximum energy dissipation rate and interfacial tension, consistent with theoretical scaling predictions. This research paves the way for investigating the relationship between wave breaking and oil slick behavior in marine oil spills through numerical simulations, contributing to a deeper understanding of the mechanisms governing oil dispersion and surface spreading.Le pétrole déversé en mer forme des nappes de pétrole, qui sont ensuite entraînées dans l’eau et brisées en gouttelettes allant du submicronique à plusieurs millimètres par les vagues déferlantes. Ces phénomènes affectent de manière significative le devenir du film de pétrole, notamment son transfert de masse, son échange d’énergie et sa distribution de particules. Par conséquent, l’étude des caractéristiques des gouttelettes de pétrole résultantes est cruciale pour comprendre le processus de dispersion du pétrole et son interaction avec les vagues déferlantes en eaux peu profondes. Nous utilisons des simulations numériques directes (DNS) pour étudier l'évolution des vagues déferlantes et leur impact sur les nappes de pétrole en reproduisant les ondes expérimentales générées par une plaque ondulée de type piston. Tout d’abord, nous avons effectué une DNS bidimensionnelle des vagues déferlantes à l’aide du solveur Basilisk pour acquérir une compréhension détaillée du processus de déferlement des vagues, y compris l’évolution de la surface libre, de la vitesse et des champs de tourbillon. Nous avons constaté que la tension superficielle a un effet significatif sur le processus de renversement de la crête, en épaississant la largeur du jet plongeant et en raccourcissant la distance qui se projette vers l'avant de la vague. Nous avons également appliqué l'échelle de dissipation conventionnelle de la théorie de la turbulence au processus de déferlement des vagues, établissant un lien entre le taux de dissipation d'énergie et le rapport entre la crête de la vague déferlante et la profondeur de l'eau. Nous avons ensuite étendu le DNS bidimensionnel des ondes déferlantes à un cadre tridimensionnel pour tenir compte des effets tridimensionnels sur le processus de déferlement des vagues et pour évaluer les effets de la viscosité (représentée par le nombre de Reynolds, Re) et de la tension superficielle (représentée par Nombre de liaisons, Bo) sur les caractéristiques et la distribution de taille des bulles générées par le déferlement des vagues. Un Bo plus élevé conduit à un plus grand nombre de bulles, la différence étant plus prononcée dans la gamme des bulles plus petites. La vitesse verticale varie avec le rayon de la bulle, montrant des vitesses de montée variables selon les rayons des bulles sous l'effet de la flottabilité, les bulles plus grosses s'élevant plus rapidement vers la surface libre. Pendant la phase de rupture active, la profondeur du panache de bulles reste constante, cohérente avec la hauteur initiale de la cavité principale. Enfin, nous avons étendu le DNS bidimensionnel des ondes déferlantes à des simulations triphasées en présence de nappes de pétrole à la surface de l’eau. Grâce à une étude paramétrique, nous avons analysé la dépendance quantitative de la taille caractéristique des gouttelettes d’huile sur l’intensité des vagues et la tension interfaciale. Nous avons identifié une forte dépendance du diamètre caractéristique des gouttelettes sur le taux de dissipation d'énergie maximal et la tension interfaciale, ce qui est cohérent avec les prédictions théoriques de mise à l'échelle. Cette recherche ouvre la voie à l’étude de la relation entre le déferlement des vagues et le comportement des nappes d’hydrocarbures lors des déversements d’hydrocarbures en mer grâce à des simulations numériques, contribuant ainsi à une compréhension plus approfondie des mécanismes régissant la dispersion et la propagation du pétrole en surface
Analyse expérimentale et modélisation multi-échelle du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux à l'appui des communautés de l'espace, du stockage de l'énergie et de la biomasse
No full textModeling transport in porous media requires accounting for the multiple-scale aspects inherent to the structure of porous media. Typical multiple-scale problems may involve several successive scales or at least two scales generally referred to as the micro-scale and the macro-scale. Several methodologies based on theoretical analysis have been developed to upscale transport equations from the micro-scale to obtain macro-scale models. This study is built upon these available upscaling techniques and uses various macro-scale models to investigate convective heat transfer in porous media. The accuracy of these macro-scale models is influenced by the macroscopic transport properties, namely permeability, effective thermal conductivity, volumetric heat transfer coefficient, etc. While many studies have been conducted on particular macroscopic transport properties, the complexity, addressed in this work, arises from the fact that these parameters are interrelated in the coupled conservation of mass, momentum, and energy equations.The main objective of this thesis is to contribute to the understanding of convective heat transfer in porous media through experimental and numerical studies, to give insight on the choice of the relevant macroscopic models to use and on the determination of the inherent effective or macroscopic properties. In this study, the macroscopic properties are determined using two approaches. The first one consists of the experimental-numerical inverse problem resolution, while the second is based on direct micro-scale numerical simulations. In the first approach, the transient single-blow technique (TSBT) is used to perform experiments on two facilities, designed specifically during this work, with different test section diameters of 1 cm and 20 cm. We study heat transfer by the flow of a hot gas within three different types of porous media: carbon fiber felts, used in Thermal Protection Systems (TPS), packed beds of glass beads, used in Thermal Energy Storage (TES), and packed beds of wood pellets and chips, used as biomass in energy production. We perform a numerical inverse analysis to estimate the quantities of interest using the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) and the Design Analysis Kit for Optimization and Terascale Applications (DAKOTA). In the second approach, the microstructure of the porous media is sought for direct numerical simulation of the flow and heat transfer. For TPS applications, carbon fiber felt is reconstructed using 3D digitalized tomographic images. The permeability and the Forchheimer tensors are then computed by solving the Navier-Stokes equations at the micro-scale. For packed beds of glass beads and wood pellets, a Discrete Element Method (DEM) code is used to generate packings of spheres and cylinders. By solving the coupled Navier-Stokes and energy equations in both fluid and solid phases, the volumetric heat transfer coefficients are determined based on an integration method.This work contributes to the understanding and development of two methods for determining the macroscopic transport properties involved in the macro-scale model, thereby enabling a more accurate study of heat and mass transfer phenomena within porous media. The numerical contributions of the Ph.D. work have been implemented in PATO, which has been released as open source by NASA.La modélisation du transport dans les milieux poreux nécessite de tenir compte des aspects multi-échelles inhérents à la structure des milieux poreux. Les problèmes typiques à plusieurs échelles peuvent impliquer plusieurs échelles successives ou au moins deux échelles généralement appelées micro-échelle et macro-échelle. Plusieurs méthodologies basées sur l'analyse théorique ont été développées pour mettre à l'échelle les équations de transport de la micro-échelle pour obtenir des modèles à l'échelle macro. Cette étude repose sur ces techniques de mise à l'échelle disponibles et utilise divers modèles à l'échelle macro pour étudier le transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux. La précision de ces modèles à l'échelle macro est influencée par les propriétés de transport macroscopiques, à savoir la perméabilité, la conductivité thermique effective, le coefficient de transfert de chaleur volumique, etc. Bien que de nombreuses études aient été menées sur des propriétés de transport macroscopiques particulières, la complexité, abordée dans ce travail, provient du fait que ces paramètres sont interdépendants dans les équations de conservation couplées de la masse, de l'élan et de l'énergie.L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la compréhension du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux grâce à des études expérimentales et numériques, pour donner un aperçu sur le choix des modèles macroscopiques pertinents à utiliser et sur la détermination des propriétés effectives ou macroscopiques inhérentes. Dans cette étude, les propriétés macroscopiques sont déterminées en utilisant deux approches. La première consiste en la résolution du problème inverse numérique-expérimental, tandis que la seconde est basée sur des simulations numériques directes à l'échelle micro. Dans la première approche, la technique transitoire à coup unique (TSBT) est utilisée pour réaliser des expériences sur deux installations, conçues spécifiquement pendant ce travail, avec différents diamètres de section d'essai de 1 cm et 20 cm. Nous étudions le transfert de chaleur par l'écoulement d'un gaz chaud à l'intérieur de trois différents types de milieux poreux : les feutres de fibres de carbone, utilisés dans les Systèmes de Protection Thermique (TPS), les lits de billes de verre, utilisés dans le Stockage d'Énergie Thermique (TES), et les lits de granulés et de copeaux de bois, utilisés comme biomasse dans la production d'énergie. Nous effectuons une analyse inverse numérique pour estimer les quantités d'intérêt en utilisant la boîte à outils d'analyse de matériaux poreux basée sur OpenFoam (PATO) et le Kit d'analyse de conception pour l'optimisation et les applications à l'échelle Tera (DAKOTA). Dans la deuxième approche, la microstructure des milieux poreux est recherchée pour la simulation numérique directe de l'écoulement et du transfert de chaleur. Pour les applications TPS, le feutre de fibres de carbone est reconstruit à l'aide d'images tomographiques numérisées en 3D. La perméabilité et les tenseurs de Forchheimer sont ensuite calculés en résolvant les équations de Navier-Stokes à l'échelle micro. Pour les lits de billes de verre et de granulés de bois, un code de la méthode des éléments discrets (DEM) est utilisé pour générer des emballages de sphères et de cylindres. En résolvant les équations couplées de Navier-Stokes et d'énergie dans les phases fluides et solides, les coefficients de transfert de chaleur volumiques sont déterminés en fonction d'une méthode d'intégration.Ce travail contribue à la compréhension et au développement de deux méthodes pour déterminer les propriétés de transport macroscopiques impliquées dans le modèle à l'échelle macro, permettant ainsi une étude plus précise des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux. Les contributions numériques du travail de doctorat ont été implémentées dans PATO, qui a été diffusé en open source par la NASA