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Nouveaux procédés de mise en œuvre de matériaux pour la valorisation de déchets agricoles contenant des scléroprotéines
No full textAujourd’hui, la revalorisation des déchets et leur fin de vie sont particulièrement étudiées face au défi écologique que la population mondiale rencontre pour d’une part limiter les déchets générés par les activités agricoles et agro-industrielles mais surtout pour tirer le meilleur parti de la biomasse. De nombreux déchets ne sont pas recyclés ou réutilisés par manque de valeur ajoutée ou de méthode de revalorisation. La plupart des applications existantes sont focalisées sur les fibres lignocellulosiques pour des applications de très grands volumes comme l’emballage et la construction ou pour la revalorisation de certaines molécules comme la lignine. La démarche de cette thèse consiste à proposer des voies de valorisation de co-produits de matière protéiques d’origine animale notamment le cuir la corne, la soie et la laine, dans des applications matériaux. Ces protéines animales, le collagène, la kératine et la fibroïne, sont des protéines fibreuses, appelées scléroprotéines, capables de s'organiser en une structure semi-cristalline hautement hiérarchisée pour induire des propriétés spécifiques. Ces macromolécules ne peuvent donc pas être traitées par extrusion thermoplastique. Ainsi, la voie actuelle de valorisation consiste principalement à formuler des composites en mélangeant la matière première avec des polymères thermoplastiques. Néanmoins, la transformation des scléroprotéines en un matériau solide grâce à la thermocompression uniaxiale à haute pression pourrait être une alternative forte aux matériaux thermoplastiques synthétiques en utilisant les propriétés thermoplastiques intrinsèques de ces protéines. Pour avoir un spectre complet du comportement des scléroprotéines pour la formation d’un matériau à haute valeur ajoutée, dense et cohésif, l’étude porte sur 5 déchets différents issus de corne de vache, de cuir tanné chrome et de cuir tanné végétal, de soie et de laine. Une première étape a consisté à développer une méthode de broyage par extrusion bi-vis, adaptée aux matières souples (cuir, laine, soie) pour obtenir des poudres pour la formation d’un matériau. Puis, des analyses thermiques (DSC, DMA) et FTIR (ATR) ont été réalisées pour étudier de comportement thermique des scléroprotéines contenues dans ces déchets et comprendre les changements de structures secondaires pendant le processus. Les résultats dépendent de l'humidité relative en raison du rôle plastifiant des molécules d'eau adsorbées sur les fibres protéiques. Ces études ont permis de déterminer des plages de travail pour les paramètres de mises en œuvre de nouveaux matériaux par thermocompression uniaxiale. Plusieurs paramètres de transformation sont étudiés : la température, la pression, le temps de cycle et la méthode de refroidissement. Le refroidissement est un paramètre capital au même titre que l’eau à la fois sur la cohésion du matériau mais aussi ses performances mécaniques. La mise au point d’une méthode de mise en forme d’un matériau compact et uniforme et la compréhension des phénomènes de formation du matériau suivant la scléroprotéine qui le constitue est le résultat de ce travail. Différentes techniques de mise en œuvre sur la même base de cuisson/compression (frittage flash et induction, refroidissement pulsé) ont été étudiées pour mesurer l’impact du procédé de mise en œuvre sur la formation d’un matériau et ses performances. Les différents déchets ont pu mener à la formation de matériau 100% naturel dont les propriétés mécaniques rivalisent avec celles d’autres polymères biosourcés et/ou biodégradables comme le PLA et l’acétate de cellulose
Pyrolyse et vapogazéification des CSR en lit fluidisé entre 700 et 850°C : production d'un gaz de synthèse riche en hydrogène
No full textLes procédés de gazéification sont essentiellement développés pour la conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique. Le bois, bien que reconnu comme renouvelable, est une ressource fortement soumise aux compétitions d’usage. Ainsi, les tensions qui apparaissent sur le marché du bois incitent les acteurs de la filière à diversifier très largement leurs approvisionnements vers des ressources plus atypiques telles que les résidus ligneux de tous genres, ou des déchets avec peu ou pas de débouché les CSR (Combustibles Solides de Récupération). Cette étude est divisée en trois grands volets. Une étude paramétrique portant sur la pyrolyse et la vapogazéification des résidus solides dans un pilote de pyrogazéification en lit fluidisé entre 700 et 850°C. Les intrants utilisés sont le bois de pin, deux lots de CSR issus du tri des ordures ménagères et un lot de CSR issu de bois B. Cette étude a permis de mettre en évidence l’effet des conditions opératoires (température, rapport massique H2O/intrant) ainsi que de la nature de l’intrant sur la composition et le rendement du syngas issu de l’étape de pyrolyse d’une part et de la vapogazéification d’autre part. Le deuxième volet consiste en une étude cinétique consacrée à l’effet de la température et de la nature de l’atmosphère gazeuse du réacteur (inerte, réductrice et oxydante) sur les interactions chimiques entre un goudron modèle (toluène) et les particules d’olivine calcinée dans un mini-réacteur à lit fluidisé. Les résultats ont montré que ces interactions en modifiant les spéciations des oxydes de fer présents dans l’olivine ont des effets significatifs sur l’activation catalytique de l’olivine. Par ailleurs, les informations tirées de cette étude ont permis de mieux comprendre et analyser l’évolution des propriétés du syngas issu de la pyrogazéification en régime transitoire. Enfin, une étude théorique de la modélisation et de la simulation du réacteur de gazéification en lit fluidisé intégrant les réactions de pyrolyse, de vapogazéification du char, de Water-Gas Shift et de reformage des goudrons. La confrontation entre les prédictions du modèle et les résultats expérimentaux ont permis de mieux comprendre l’effet des paramètres opératoires sur l’avancement de différentes réactions
Chapter 12: "GNC Verification and validation"
No full textModern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications provides a comprehensive foundation of theory and applications of spacecraft GNC, from fundamentals to advanced concepts, including modern AI-based architectures with focus on hardware and software practical applications. Divided into four parts, this book begins with an introduction to spacecraft GNC, before discussing the basic tools for GNC applications. These include an overview of the main reference systems and planetary models, a description of the space environment, an introduction to orbital and attitude dynamics, and a survey on spacecraft sensors and actuators, with details of their modeling principles. Part 2 covers guidance, navigation, and control, including both on-board and ground-based methods. It also discusses classical and novel control techniques, failure detection isolation and recovery (FDIR) methodologies, GNC verification, validation, and on-board implementation. The final part 3 discusses AI and modern applications featuring different applicative scenarios, with particular attention on artificial intelligence and the possible benefits when applied to spacecraft GNC. In this part, GNC for small satellites and CubeSats is also discussed. Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications is a valuable resource for aerospace engineers, GNC/AOCS engineers, avionic developers, and AIV/AIT technicians
Shapley Additive Explanations for Knowledge Discovery via Surrogate Models
Full text linkIt is sometimes desirable to delve further into how the inputs affect the output in design optimization and uncertainty analysis. Surrogate models such as Gaussian Process Regression and support vector regression are useful for such tasks and can be further enhanced by introducing advanced post-processing methods. This paper investigates Shapley Additive Explanation (SHAP) as a tool to aid surrogate-assisted data-driven analysis. In particular, surrogate-enabled SHAP analysis allows visualization of the input-output relationship in a meaningful way using summary SHAP plots and SHAP dependence plots. Some important
information that can be extracted and visualized from SHAP includes the importance of input variables (i.e., global sensitivity analysis), nonlinearity level, and level of interactions. The benefits of Shapley values for engineering analysis using surrogate models are demonstrated in three engineering test problems
Absorption réactive en écoulement de Taylor dans le contexte du lavage de gaz acides : étude du transfert de matière dans les phases gaz et liquide
No full textLa capture du CO2 présent dans le gaz naturel ou les effluents industriels est un enjeu économique et écologique majeur. Elle est conventionnellement réalisée par absorption réactive du gaz dans un solvant (solution aqueuse basique). Afin de répondre à une demande croissante en énergie, il est nécessaire d’améliorer les procédés de traitement par le biais de nouvelles technologies ou de nouveaux solvants. Ces solvants, après validation à l’échelle du laboratoire, doivent être entièrement caractérisés pour simuler les performances du procédé industriel. Cette thèse s’est donc orientée sur le développement d’un pilote instrumenté, basé sur un milli-canal vertical parcouru par les phases gaz et liquide à étudier selon l’écoulement dit de Taylor, car son hydrodynamique contrôlée et les coefficients d’échange de masse élevés associés en font un outil avantageux de caractérisation thermodynamique et cinétique de nouveaux solvants pour l’absorption du gaz acide. Il s’agit donc de caractériser les écoulements ainsi que les cinétiques de transferts et réactionnelles s’opérant au sein du canal, et ce pour un solvant d’intérêt pour l’industriel partenaire, la N-méthyldiéthanolamine (MDEA) en solution aqueuse. Avant d’aborder ce système, des études expérimentales sont réalisées pour évaluer séparément les coefficients de transfert de matière côté liquide (kL) et coté gaz (kG). En effet, la solubilité élevée du CO2 pouvant conduire à un effet non négligeable de la résistance côté gaz, cette contribution a dû être évaluée spécifiquement, car la littérature sur les écoulements de Taylor ne donne quasiment aucune information à ce sujet. Les études sont menées à l’échelle d’un canal de diamètre interne 2 mm, avec une injection des phases à co-courant ascendant. Les expériences sont réalisées à températures modérées (<50°C) et une pression proche de l’atmosphère. La technique expérimentale retenue repose sur la mesure locale par ombroscopie de la variation de taille des bulles, respectivement lors de l’évaporation de l’acétate d’éthyle pour kG et lors de l’absorption réactive de CO2 pur dans la soude pour kL. Après extraction des caractéristiques de bulles par traitement d’images, des bilans de matière réalisés à l’échelle d’une cellule unitaire permettent l’obtention de coefficients locaux de transfert. Pour les systèmes réactifs (CO2-NaOH-H2O et N2-CO2-MDEA-H2O), des analyses chimiques des phases liquide et/ou gaz en entrée et sortie de canal permettent également l’obtention de coefficients globaux. À noter que ces systèmes nécessitent le calcul du facteur d’accélération du transfert par la réaction. Les mesures ont révélé que le transfert côté gaz est extrêmement rapide, si bien que la plus grande part des variations de longueur de bulle mesurées dans les différentes zones de visualisation est en fait attribuable à l’évolution de pression le long du canal. Néanmoins, à l’aide du modèle phénoménologique développé, elles ont permis d’obtenir un ordre de grandeur du coefficient kG, autour de 10-2 m.s-1 dans les conditions étudiées. Les valeurs locales de kL obtenues par absorption réactive du CO2 dans la soude se situent entre 1·10-5 et 2,5·10-4 m.s-1. Elles suivent l’évolution croissante attendue avec la vitesse diphasique et sont en général plus faibles pour les bulles les plus longues. Les analyses en entrée-sortie des phases permettent de conforter l’ordre de grandeur obtenu par mesure locale pour la soude. Par ailleurs, les résultats obtenus avec la MDEA et le CO2 dilué ont permis de confirmer que la résistance côté gaz était effectivement négligeable. En complément, des simulations numériques directes sont effectuées sous COMSOL Multiphysics®. Elles permettent de suivre l’évolution des cellules unitaires le long du canal en résolvant pas à pas et de façon couplée l’hydrodynamique et le transport des espèces pour l’estimation des flux transférés. Elles viennent conforter les résultats expérimentaux pour les deux systèmes modèles
Body-Force Modelling of Multiple Distributed Propulsors with Boundary Layer Ingestion
Full text linkA coupled wing-propulsor configuration is modelled in order to extract the coupled lift,
drag or thrust coefficients and to investigate a methodology for in-flight energy recovery
via loaded windmilling. The baseline wing geometry and flight conditions of the configuration
are representative of the Daher TBM900 aeroplane. The propulsors are modelled
using RANS Body Force Modelling (BFM) in order to analyse the non-homogenous incoming
flow at computation cost somewhat coherent with preliminary design. The main
coupled phenomena such as Boundary Layer Ingestion (BLI), suction-side flow acceleration,
propulsor-to-propulsor influence, lateral loads and increased operability are discussed;
numerical modifications to the baseline Hall-Thollet model are introduced, providing
control-by-power of the propulsor. In continuiation of previous in-house efforts,
the simulations were carried out for a typical takeoff case. The obtained results provide
preliminary evidence for the possibility of energy recovery by loaded windmilling, which
lays groundwork for further investigations at other flight conditions and more complex
configurations
Adaptive Detection of Gaussian Rank-One Signals Using Adaptively Whitened Data and Rao, Gradient and Durbin Tests
Full text linkWe address the problem of detecting a Gaussian rank-one signal using training samples to learn the covariance matrix of the noise present in the samples under test. Towards this end, we propose to use the latter after they have been whitened by the sample covariance matrix of the training samples. As an alternative to the generalized likelihood ratio test, we investigate three simpler alternatives, namely the Rao, gradient and Durbin tests. Closed-form expressions of the corresponding test statistics are derived and the detectors are shown to have a constant false alarm rate. Their performance is assessed via numerical simulations
La biomasse lignocellulosique, un milieu poreux particulier : étude expérimentale de sa dégradation par hydrolyse enzymatique
Full text linkLa valorisation de la biomasse végétale représente un enjeu environnemental et industriel considérable au regard de notre demande croissante en énergie renouvelable et en molécules d’intérêt pour l’industrie chimique. Accéder à cette ressource nécessite de déconstruire cette biomasse particulièrement récalcitrante de manière contrôlée. Cette étape reste à ce jour un verrou majeur au développement de procédés viable et économiquement pertinents. Dans la Nature, bactéries et champignons ont développé tout un panel d’enzymes à la modularité très variable, permettant de métaboliser les molécules carbonées présentes dans les parois végétales. Ce travail de thèse a pour ambition d’améliorer notre compréhension des mécanismes biochimiques et biophysiques mis en oeuvre lors de cette dégradation enzymatique de la biomasse végétale. Son originalité est d’étudier l’action enzymatique par l’utilisation de métrologies et techniques issues de l’étude des milieux poreux. Ces techniques sont particulièrement bien adaptées au type d’échantillons qui nous intéresse (paille de blé) et permettent ainsi de considérer la paroi végétale dans toute sa complexité (un milieu poreux complexe et tridimensionnel). Dans une première partie, nous montrons que la microtomographie à rayons X (μCT) permet le suivi temporel, en 3 dimensions, de la dégradation enzymatique d'une biomasse lignocellulosique modèle, la paille de blé. Grâce à un traitement des images 3D spécifique, développé au cours de la thèse, nous observons en particulier la disparition progressive de certaines parois cellulaires riches en cellulose, au fur et à mesure de l’attaque enzymatique. Dans un second temps, et dans le but de sonder les effets de l’action enzymatique à des échelles spatiales non résolues par la visualisation en μCT (inférieures au micron), nous avons effectué des expériences d’élution d’un traceur radio-opacifiant saturant initialement la paille de blé, notamment par un suivi en radiographie X. Un modèle simple de transport diffusif au sein de la paille est utilisé pour extraire un coefficient de diffusion effectif des traceurs au sein de la paille. Des résultats préliminaires sont obtenus pour différents types de traceurs, pour des échantillons natifs ou ayant subi une attaque enzymatique. En résumé, durant cette thèse nous nous sommes attelés à adapter des techniques et des méthodologies issues de l’étude des milieux poreux pour affiner notre compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la dégradation de la paille de blé par des enzymes
Urban Air Vehicle Mission Sizing and Performance Estimation Using Pacelab APD
Full text linkModern aviation has been focusing on hybrid-electric propulsion in recent years, aiming
for concepts with lower atmospheric and acoustic pollution to improve social acceptance of
the sector. Development of such new enabling technologies results in emergence of whole new
aircraft concepts like Electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) for urban air mobility.
The present work focuses on the preliminary design of a hybrid-electric Vertical Take-Off
and Landing (VTOL) air vehicle with multiple ducted fans. A theoretical preliminary sizing
model is proposed and then implemented in Pacelab APDTM, a commercial preliminary design
tool developed by PACE Aerospace Engineering and Information Technology GmbH. The
performance deck for electric ducted fans is developed in parallel using PROOSISTM, a separate
dedicated propulsive system simulation software, using flight conditions as input and providing
appropriate performance characteristics as output. The targeted powertrain is completed with
a turbogenerator, also modelled in PROOSIS as a generic turboshaft engine with an additional
electric generator efficiency accounting. After having sized it at cruise condition, a specific
fuel consumption map is retrieved. A typical urban air mobility operational framework is
considered when building the design mission - composed of vertical take-off, hover, cruise
and vertical landing - as well as a range of off-design use case scenarios. Power requirement
in vertical flight segments is also estimated. An example of the developed model application
in Pacelab APD is provided; it is inspired by existing concepts on the market. It presents a
hybrid-electric powertrain with eight ducted fans and a fully composite airframe. The model
is implemented in a customized version of APD, along with coding of the missing engineering
objects and the propulsive system performance decks exported from PROOSIS. The design
mission is then simulated and analysed, suggesting a feasible aircraft solution, which is later
subject to sensitivity studies
Automatic bias control suitable for a microwave photonic vector modulator
Full text linkThe microwave photonic vector modulator (MPVM) sometimes shows an unmodulated carrier peak, which appears in the modulated signal. This peak results from an incorrect bias value or a Mach-Zehnder modulator (MZM) bias drift over time, which in turn leads to an imbalance in the I/Q signals. This paper describes a mathematical model of an MPVM output by showing the unmodulated carrier peak behavior. It also discusses a constellation imbalance resulting from this non-modulated peak. To control this non-modulated carrier peak and restore the constellation balance, an automatic bias control (ABC) is proposed and simulated through a co-simulation technique. Unlike previous methods, this ABC is based on the analysis of the I/Q signals to generate voltage steps for the photonic modulator bias. The I/Q signals were recovered through a direct-conversion receiver, and an algorithm was developed to analyze the I/Q amplitude and phase imbalance. Consequently, the photonic modulator bias is continuously monitored by analyzing the resulting modulated microwave signal. In this way, its operation is transparent under MZM bias variations or extinction ratio (ER) imperfection since only the I/Q and microwave signals are considered in the algorithm implementation. ABC is validated through a co-simulation technique using low and high-order modulation formats such as QPSK, 64QAM, and 256QAM