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Modelling of crack propagation in strongly anisotropic media using phase-field fracture and LEFM
No full textInternational audienceThe study of crack propagation in anisotropic media is becoming increasingly important in structural mechanics. Additive manufacturing processes, in particular, are being investigated for their capacity to produce custom parts and their potential to repair structures (Ngo et al., 2018). Understanding and modeling their mechanical degradation is crucial to ensure the safe application of 3D-printed materials. However, knowledge of crack propagation modeling in these materials still needs to be completed. The microstructure of anisotropic materials induces anisotropy in their fracture toughness, complicating the modeling process. While some models can qualitatively represent crack propagation in such materials, only a few quantitative studies are currently available. Previous studies (Corre & Lazarus, 2021; Zhai, 2023) have demonstrated that strongly anisotropic phase-field fracture models can effectively capture crack propagation in anisotropic media. Building on this foundation, this work further evaluates the capabilities of strongly anisotropic phase-field fracture models. In particular, we aim to investigate more complex propagation problems, such as cases involving crack path bifurcation. Simulations will be compared against Linear Elastic Fracture Mechanics results, using the Generalization of the Maximum Energy Release Rate to anisotropic media.References Corre, T., & Lazarus, V. (2021). Kinked crack paths in polycarbonate samples printed by fused deposition modelling using criss-cross patterns. International Journal of Fracture, 230(1), 19–31. https://doi.org/10.1007/s10704-021-00518-x Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172–196. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012 Zhai, X. (2023). Crack propagation in elastic media with anisotropic fracture toughness: Experiments and phase-field modeling [PhD thesis]
Protection des poissons en dévalaison au niveau des aménagements hydroélectriques : efficacité des prises d’eau ichtyocompatibles
No full textInternational audienc
LIME TREATMENT OF SOILS FOR LIMITED-HEIGHT HYDRAULIC STRUCTURES: STATE OF THE ART AND PRACTICE
No full textInformation document (technical guide)Lime treatment is a proven technique that has been widely developed over the past sixty years. As a result, valuable know-how has been developed, particularly in France, benefiting infrastructure and development projects of all scales. However, there are few examples of applications in the field of hydraulic structures, and those that do exist remain relatively unknown. This is partly due to the caution of stakeholders in this field given the challenges they face, but also to a lack of awareness about the benefits and advancements of this technique.Over the past fifteen years, extensive studies, investigations, and full-scale pilot projects have demonstrated the considerable benefits that lime treatment can offer for hydraulic structures. This scientific groundwork now makes it possible to expand the use of this technique within the relevant field.In 2013, the DigueELITE research program, led by ISL Ingénierie and bringing together INRAE, EDF, Lhoist France, and Arcor Technologies, received support from the Joint Interministerial Fund (FUI) to carry out an ambitious research initiative focused on earthen hydraulic structures, especially flood protection dikes.In 2015, these efforts culminated in the construction of a demonstrator along the Vidourle River in southern France, which was subjected to overflow testing in April 2016 and June 2017. Important insights were gained into the behavior of lime-treated soils and the design of resilient, long-lasting hydraulic structures.In addition to this project, as part of the programme to secure the river dikes in the Rhône Delta, SYMADREM—the project owner for the strengthening of the Grand Rhône dikes at Salin de Giraud and Port Saint Louis—built some experimental test plots using lime-treated soils in 2017 to assess their resistance to surface erosion through similar overflow testing.These two major projects complement the knowledge developed since 2005 by both public and private scientific institutions, thanks to academic and experimental research conducted on this subject. Numerous publications were authored as part of these studies, and a comprehensive bibliography is provided at the end of this document.At the end of the DigueELITE program, the consortium decided to publish this comprehensive summary to provide the hydraulic structures community with key lessons learned from DigueELITE and the related research. The primary objective of this summary is to provide key insights to support studies, design, dimensioning, construction, and monitoring of hydraulic structures built with lime-treated soils. It enables readers to quickly become familiar with the key elements of lime treatment for hydraulic structures, including benefits, performance, and limitations.It provides a detailed overview of the key aspects of applying lime treatment and offers the entire relevant Community - including project owners, project managers, design offices, contractors, and quality control offices - the technical and methodological elements required to incorporate lime-treated soils into the construction or repair of hydraulic structures not exceeding approximlately fifteen meters in height.This documents does not substitute established design and construction guidelines for hydraulic structures, as recommended by specialized institutions and documented in bulletins, handbooks, and standards. It offers complementary insights, presenting new technical and economic options, and refer to reliable documents when applicable. However, it is important to consider that this document is founded on French and European practices, regulations, and standards. Adapting it for use in another country requires careful modification to ensure compliance with local regulations and practices. Accordingly, this document may serve as a reference framework for developing versions tailored to the specific regulatory and practical context, in alignment with their respective guidelines and standards. Taking these elements into account will enable the construction of high-performance and long-lasting hydraulic structures
Simulation numérique de la propagation des vagues en zone côtière et du franchissement des ouvrages de protection par modélisation déterministe faiblement dispersive
No full textThe goal of this thesis is to develop and validate a numerical modelling approach for the deterministic (or phase resolving) simulation of nearshore wave propagation, as well as wave overtopping of coastal protections, in realistic configurations. More specifically, this work aims at examining the applicability of weakly-dispersive Boussinesq-type models for this purpose, both in one and two horizontal dimensions.The research starts with a comprehensive theoretical and numerical comparison of eight Boussinesq-type and Serre-Green-Naghdi (SGN)-type models, either weakly or fully nonlinear, for the propagation of non-breaking long waves. These models are first assessed in terms of their theoretical dispersive, nonlinear, and shoaling properties. Their capacity to simulate coastal wave propagation and their transformation when approaching the shore is assessed on three challenging one-dimensional benchmarks. The analysis identifies the most accurate and robust formulations for modelling wave transformation in coastal zones. This work was published in Coastal Engineering (Coulaud et al., 2025).To investigate the applicability of such models for simulating wave overtopping, a one-dimensional numerical model, based on the enhanced Serre-Green-Naghdi (eSGN) equations of Bonneton et al. (2011), was developed. A hybrid finite volume and finite difference scheme is used to discretise the equations, with a simple and robust treatment of moving shorelines. Wave breaking is modelled with an eddy viscosity approach, by adding a diffusive-like energy dissipation term. The dissipation is controlled by an eddy viscosity based on the turbulent kinetic energy (TKE), which is computed by solving an additional transport equation. This model has been used e.g. in Kazolea & Ricchiuto (2018) and is both robust and accurate at describing surf-zone processes. The model is validated with several standard test cases or laboratory experiments of wave propagation, shoaling and breaking (covering solitary, regular and irregular waves).The model is then applied to reproduce two sets of one-dimensional overtopping experiments in wave flumes, totalling 184 cases. They allow for assessing its ability to accurately simulate wave propagation from offshore to the toe of coastal protections, as well as to reproduce average discharges overtopping the structure. The experiments cover several orders of magnitude of overtopping discharges, with both breaking and non-breaking waves, and unimodal or bimodal spectra. Comparisons with state-of-the-art semi-empirical formulae of the EurOtop (2018) manual for estimating overtopping discharges are also presented.The development of a two-dimensional model on structured grids is then presented, also based on the eSGN equations of Bonneton et al. (2011) and the TKE wave breaking model. The discretisation is based on finite volume/finite difference numerical methods like those used for the one-dimensional model. The model is validated with several laboratory experiments of wave propagation and breaking. Finally, its operational applicability is demonstrated by applying it to reproduce two-dimensional laboratory experiments (in a wave basin) of irregular wave propagation, breaking and overtopping of a vertical wall.L'objectif de cette thèse est de développer et de valider une approche de modélisation numérique pour la simulation déterministe (ou à résolution de phase) de la propagation des vagues littorales, ainsi que le franchissement des protections côtières par ces vagues, dans des configurations réalistes. Plus spécifiquement, ce travail vise à examiner l'applicabilité des modèles faiblement dispersifs de type Boussinesq à cette fin, à la fois pour une et deux dimensions horizontales.Ce travail commence par une comparaison théorique et numérique complète de huit modèles de type Boussinesq et Serre-Green-Naghdi (SGN), faiblement ou totalement non linéaires, pour la propagation d'ondes longues non déferlantes. Ces modèles sont d'abord comparés selon leurs propriétés théoriques concernant la dispersion, la non-linéarité et le shoaling (levée des vagues). Leur capacité à simuler la propagation des vagues et leur transformation à l'approche du rivage est évaluée sur trois cas tests unidimensionnels discriminants. L'analyse identifie les modèles les plus précis et les plus robustes pour modéliser la transformation des vagues dans les zones côtières. Ce travail a été publié dans Coastal Engineering (Coulaud et al., 2025).Afin d'étudier l'applicabilité de ces modèles pour simuler le franchissement d'ouvrages de protection par les vagues, un modèle numérique unidimensionnel, basé sur les équations de Serre-Green-Naghdi améliorées (eSGN) de Bonneton et al. (2011), a été développé. Un schéma hybride de type volumes finis et différences finies est utilisé pour discrétiser les équations, avec un traitement simple et robuste des mouvements des fronts sec/mouillé. Le déferlement des vagues est modélisé avec une approche de type viscosité turbulente, en ajoutant un terme de dissipation d'énergie de type diffusif aux équations. La dissipation est contrôlée par une viscosité turbulente basée sur l'énergie cinétique turbulente (TKE), qui est calculée en résolvant une équation de transport supplémentaire. Ce modèle a été utilisé par exemple dans Kazolea & Ricchiuto (2018) et est à la fois robuste et précis pour décrire les processus à l'œuvre dans la zone de déferlement. Le modèle est validé à l'aide de plusieurs cas tests ou expériences de laboratoire de propagation de vagues, shoaling et déferlement (avec des ondes solitaires, ou des vagues régulières ou irrégulières).Le modèle est ensuite appliqué pour reproduire deux séries d'expériences unidimensionnelles de franchissement réalisées dans des canaux à vagues, soit 184 cas au total. Ces expériences permettent d'évaluer la capacité du modèle à simuler avec précision la propagation des vagues depuis le large jusqu'au pied des protections côtières, ainsi qu'à reproduire les débits moyens franchissant les structures. Les expériences couvrent plusieurs ordres de grandeur de débits de franchissement, avec des vagues déferlantes et non déferlantes, et des spectres unimodaux ou bimodaux. Des comparaisons avec les formules semi-empiriques à l'état de l'art du manuel EurOtop (2018) pour l'estimation des débits de franchissement sont également présentées.Le développement d'un modèle à deux dimensions horizontales sur grilles structurées est ensuite présenté, également basé sur les équations eSGN de Bonneton et al. (2011) et le modèle de déferlement des vagues basé sur la TKE. La discrétisation est basée sur des méthodes numériques de type volumes finis/différences finies similaires à celles utilisées pour le modèle unidimensionnel. Le modèle est validé grâce à plusieurs expériences de laboratoire de propagation et déferlement de vagues. Enfin, son applicabilité opérationnelle est démontrée en l'utilisant pour reproduire des expériences de laboratoire bidimensionnelles (dans un bassin à vagues) de propagation et déferlement de vagues irrégulières, ainsi que de franchissement d’un mur vertical par ces vagues
Choosing the right substrate to restore coral reefs through artificial reef construction: a mini-review
No full textInternational audienc
Trapped modes in electromagnetic waveguides
No full textWe consider the Maxwell's equations with perfect electric conductor boundary conditions in three-dimensional unbounded domains which are the union of a bounded resonator and one or several semi-infinite waveguides. We are interested in the existence of electromagnetic trapped modes, i.e. solutions of the problem without source term. These trapped modes are associated to eigenvalues of the Maxwell's operator, that can be either below the essential spectrum or embedded in it. First for homogeneous waveguides, we present different families of geometries for which we can prove the existence of eigenvalues. Then we exhibit certain non homogeneous waveguides with local perturbations of the dielectric constants that support trapped modes. Let us mention that some of the mechanisms we propose are very specific to Maxwell's equations and have no equivalent for the scalar Dirichlet or Neumann Laplacians
: PROJETER LA RESSOURCE, SES USAGES ET SA GESTION ET CONTRIBUER AUX CONCERTATIONS AUTOUR DES STRATEGIES DE GESTION
No full textInternational audienceLes travaux détaillés présentent ainsi les premiers résultats de cette démarche Jumeau Numérique de Bassin Versant enclenchée sur le bassin de la Loire par EDF. Les éléments présentés souhaitent illustrer les apports de la démarche de modélisation actuellement réinvestie par EDF pour la représentation de la climatologie, de l’hydrologie, des usages et des mesures de gestion de la ressource en eau. Cette démarche nécessite le recueil d’un nombre important de données d’origine physique ou socio-économique (relatifs aux usages), la mobilisation de différents outils de modélisation, pour en retour donner accès à une représentation du bassin étudié dans sa configuration naturelle et influencée par usages et gestion de la ressource. Les données et modèles produits souhaitent s’orienter vers la construction d’outils d’aide à la décision permettant d’anticiper les tensions sur la ressource. Pour l’heure, les seuls déterminants régissant l’évolution des usages sont liés au changement climatique, donc d’ordre physique. Une vision prospective des dynamiques territoriales socio-économiques, de l’occupation des sols ou encore des règles de gestion pourront venir préciser et compléter les résultats déjà acquis et être l’objet de démarche de concertation. Pour EDF, cette activité rassemblée derrière la terminologie JNBV n’a pas vocation à être une démarche portée uniquement par un industriel. Le cadre scientifique offert par le projet Explore2 a été l’occasion d’initier avec l’INRAE une réflexion partagée autour d’une vision commune autour de la place et de l’intérêt de ces analyses dans les phases de construction des politiques publiques responsables de la gestion de l’eau. Consécutivement, INRAE et EDF prévoit de s’accorder autour de la structuration d’une feuille de route scientifique commune en support au développement de JNBV, basée sur un rapprochement entre les équipes de R&D respectives de ces entités en charge des études portant sur l’évolution quantitative et qualitative de la ressource (département AQUA de l’INRAE, département LNHE d’EDF R&D) et ouvertes à d’autres acteurs scientifiques candidats. Pour INRAE et EDF, il s’agit au travers de cette coopération de renforcer la robustesse des analyses produites tout en préparant l’extension du périmètre scientifique des JNBV (robustesse de la caractérisation des étiages, projection des températures de l’eau et/ou de la qualité d’eau, …). Enfin et en accord avec l’intérêt suscité par cette démarche auprès des ingénieries d’EDF et dans les premiers retours rencontrés au travers d’échanges avec des acteurs de la gestion de l’eau, EDF a également décidé dès 2024 de poursuivre ses activités autour des JNBV au travers du financement des modèles et des développements nécessaires à une extension au bassin de la Garonne des analyses précédemment présentés. Tout comme sur le bassin Loire, l’évolution à la baisse attendue de l’hydrologie sur ce bassin interroge les équilibres existants autour des usages de l’eau et invite EDF à se doter de la capacité à représenter les impacts pour son parc de production hydroélectrique (environ 120 ouvrages EDF produisant plus de 6.2TWh annuel) des évolutions des modes de gestion de l’eau sur le bassin. Dans un objectif de collaboration approfondie avec les acteurs de l’eau légitimes sur le bassin, EDF a dès le lancement de ces travaux proposé d’associer le Syndicat mixte d'études et d'aménagement de la Garonne (SMEAG) au comité de suivi de cette démarche JNBV, au même titre que l’Agence de l’eau Loire-Bretagne, l’Etablissement Public Loire, ou encore l’EPTB Vienne ont été associés aux premiers partages organisés autour des résultats obtenus sur le bassin Loire
Ergodic control of a heterogeneous population and application to electricity pricing
No full textThe present version (v3) is an extended version of an article originally published in the Proceedings of CDC 2022International audienceWe consider a control problem for a heterogeneous population composed of agents able to switch at any time between different options. The controller aims to maximize an average gain per time unit, supposing that the population is of infinite size. This leads to an ergodic control problem for a “mean-field” Markov Decision Process in which the state space is a product of simplices, and the population evolves according to controlled linear dynamics. By exploiting contraction properties of the dynamics in Hilbert’s projective metric, we prove that the infinite-dimensional ergodic eigenproblem admits a solution and show that the latter is in general non unique.This allows us to obtain optimal strategies, and to quantify the gap between steady-state strategies and optimal ones. In particular, we prove in the one-dimensional case that there exist cyclic policies – alternating between discount and profit taking stages – which secure a greater gain than constant-price policies. On numerical aspects, we develop a policy iteration algorithm with “on-the-fly” generated transitions, specifically adapted to decomposable models, leading to substantial memory savings.We finally apply our results on realistic instances coming from an electricity pricing problem encountered in the retail markets, and numerically observe the emergence of cyclic promotions for sufficient inertia in the customer behavior