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Etude spatiotemporelle des biofilms électroactifs multi-espèces à l'échelle microscopique par une approche microfluidique et optique
Full text linkLes biofilms électroactifs (EABs) multi-espèces sont capables d'échanger des électrons avec la surface d'une électrode. Les EABs sont principalement utilisés dans les systèmes bioélectrochimiques (BES), où la production d'électricité est difficile à maintenir à long terme. En général, l'électroactivité des EABs atteint un maximum (Jmax) qui diminue progressivement après quelques dizaines de jours de fonctionnement du BES. Dans ce contexte, l'utilisation typique de macroélectrodes pour tester les hypothèses liées à la perte d'électroactivité des EABs rend difficile la fixation et le contrôle de conditions homogènes, couplées à des techniques d'analyses destructives ponctuelles, où l'évolution spatio-temporelle des EABs est clairement perdue. La première partie de cette thèse a été consacrée au travail avec des microélectrodes (∅=50µm) en acier inoxydable (SS), afin d'assurer des conditions expérimentales plus homogènes à la surface de l'électrode. Dans un premier temps, la formation des EABs provenant des marais salants sur les microélectrodes a été standardisée, où l'électroactivité distinctive observée dans les macroélectrodes a été reproduite avec succès. Par la suite, quatre étapes temporelles principales de la biocolonisation et de l'électroactivité ont été détaillées. Une viabilité élevée, des taux de croissance maximaux du biofilm et une quantité importante de protéines de substances polymériques extracellulaires (EPS) ont favorisé l'augmentation de l'électroactivité jusqu'à Jmax. Ensuite, le déclin progressif de l'électroactivité est devenu irréversible, alors que la vitesse de croissance du biofilm à diminué avec l'accumulation de cellules mortes et l'augmentation de la quantité de polysaccharides d’EPS. En outre, la population microbienne des EABs a évolué de Marinobacterium spp. à Desulfuromonas spp. Enfin, d'autres études portant sur le rôle de l'EPS dans l'électroactivité des EABs ont montré une quantité constamment élevée de protéines d'EPS et une faible proportion de polysaccharides d'EPS lorsque l'électroactivité a été augmentée. La deuxième partie de cette thèse s'est focalisée sur le développement d'une microBES transparente (V=0.3 mL) avec une microélectrode intégrée en SS, pour l'observation in situ et en temps réel des interfaces microélectrode/EAB et EAB/cellules planctoniques. La dynamique de la formation du biofilm a été corrélée à l'électroactivité du EAB, où la découverte d'une couche dense active de bactéries planctoniques à proximité de l'interface microélectrode/EAB ouvre de nouvelles voies de recherche sur la formation du biofilm et les mécanismes de transfert d'électrons
Comparison of control strategies for hysteresis attenuation in electromechanical actuators subject to dispersion
Full text linkThis paper addresses the difficulties of designing highly efficient robust controllers for a class of systems
exhibiting high hysteresis with parameters dispersion that limits control accuracy and performance homogene-
ity over the parametric uncertainties range. Two control strategies to solve the problem are assessed. First,
a Reference Model Sliding Mode Control (RMSMC) feedback controller known to be robust to parametric
uncertainty is designed to compensate for hysteresis, regardless of the hysteresis quantity. Secondly, a strategy
based on a feedforward controller with a Neural Network inverse model and a PID feedback controller is
proposed. In this case, hysteresis dispersion is addressed by integrating a backlash estimator for
computing the Neural Network inverse model. The control strategies are implemented for position control of
a Limited-Angle Torque Motor (LATM) exhibiting uncertain hysteresis. Experimental tests demonstrated the
very good accuracy and robustness of the Neural Network inverse model and the PID controller for position
tracking when the LATM is subject to dispersion and the benefits of the Reference Model Sliding Mode Control
(RMSMC) feedback controller for the rejection of external disturbances
Unexpected optimal measurement protocols in Bell's inequality violation experiments
Full text linkBell's inequality violation experiments are becoming increasingly popular in the practical teaching of undergraduate and master's degree students. Bell's parameter S is obtained from 16 polarization correlation measurements performed on entangled photons pairs. We first report here a detailed analysis of the uncertainty u(S) of Bell's parameter taking into account coincidence count statistics and errors in polarizers' orientation. We show using both computational modeling and experimental measurement that the actual sequence of the polarizer settings has an unexpected and strong influence on the error budget. This result may also be relevant to measurements in other settings in which errors in parameters may have non-random effects in the measurement
Body Force Modeling of the Fan Stage of a Windmilling Turbofan
Full text linkThe determination of the rotational speed and massflow of a windmilling fan is critical in the design of the engine-supporting structure and the sizing of the rudder. Given the very high bypass ratio obtained at windmill (typically around 50), the flow in the fan stage and bypass duct is of prime interest. Classical CFD simulations have been shown to predict such flows accurately, but extensive parametric studies can be needed, stressing the need for reduced-cost modeling of the flow in the engine. A Body Force Modeling (BFM) approach to windmilling simulations is examined in the present contribution. The main objective is to assess the capability of the BFM approach to reproduce the aerodynamics of the flow in the fan stage of a turbofan at windmill, and to propose a method to predict the massflow and the rotational speed of the fan. The available global and local experimental data of a high bypass ratio geared turbofan (the DGEN 380) are used to validate the model. Furthermore, classical RANS simulations are also provided as reference simulations to assess the accuracy of the BFM results. It is found that the overall performance of the fan stage is well predicted by the BFM simulations, in particular at the lowest rotational speed. In terms of local validation, radial profiles are also found to be in good agreement, except close to the shroud due to massive flow separations in both the rotor and stator. A BFM simulation is about 10 times faster than the baseline CFD computation, making this approach very efficient in terms of accuracy-to-cost ratio. Finally, a zero work exchange model is embedded in the BFM computations, such that both the massflow and the rotational speed of the fan become outputs of the simulations. The predictions obtained by the present approach show good agreement (maximal discrepancy of 6.5 %) with engine experimental data
The diverse meteorology of Jezero crater over the first 250 sols of Perseverance on Mars
Full text linkASA’s Perseverance rover’s Mars Environmental Dynamics Analyzer is collecting data at Jezero crater, characterizing the physical processes in the lowest layer of the Martian atmosphere. Here we present measurements from the instrument’s first 250 sols of operation, revealing a spatially and temporally variable meteorology at Jezero. We find that temperature measurements at four heights capture the response of the atmospheric surface layer to multiple phenomena. We observe the transition from a stable night-time thermal inversion to a daytime, highly turbulent convective regime, with large vertical thermal gradients. Measurement of multiple daily optical depths suggests aerosol concentrations are higher in the morning than in the afternoon. Measured wind patterns are driven mainly by local topography, with a small contribution from regional winds. Daily and seasonal variability of relative humidity shows
a complex hydrologic cycle. These observations suggest that changes in some local surface properties, such as surface albedo and thermal inertia, play an influential role. On a larger scale, surface pressure measurements show typical signatures of gravity waves and baroclinic eddies in a part
of the seasonal cycle previously characterized as low wave activity. These observations, both combined and simultaneous, unveil the diversity of processes driving change on today’s Martian surface at Jezero crater
Physics-Informed Proper Orthogonal Decomposition for Data Reconstruction
Full text linkMany engineering problems are governed by complex governing equations that are difficult and typically require high computational costs to solve. Machine learning and surrogate modelling aid such an endeavour by providing a cheap-to-evaluate prediction model that acts as a replacement of the original model. While most research focuses on predicting scalar values (e.g., lift and drag), predicting the solution field is also of interest in many practical engineering and scientific applications. This paper proposes a Physics-Informed Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique that improves the solution field prediction by enforcing governing equations as a loss penalty. The proposed idea utilizes a reduced-order modeling technique based on POD to decompose solution snapshots into singular vectors and values. A Gaussian Process Regression is then utilized to predict the singular values from variable parameters. The predicted singular values from the data of the problem are then adjusted via optimization to minimize the physics-informed loss and achieve better prediction. In this paper, we illustrate the efficacy of the proposed method on simple two-dimensional partial differential equations. The result clearly shows that the proposed physics-informed POD outperforms the conventional POD in terms of approximation error
Modular zk-Rollup On-Demand
Full text linkThe rapid expansion of the use of blockchain-based systems often leads to a choice between customizable private blockchains and more secure, scalable and decentralized but expensive public blockchains. This choice represents the trade-off between privacy and customization at a low cost and security, scalability, and a large user base but at a high cost. In order to improve the scalability of secure public blockchains while enabling privacy and cost reduction, zk-rollups, a layer 2 solution, appear to be a promising avenue. This paper explores the benefits of zk-rollups, including improved privacy, as well as their potential to support transactions designed for specific applications. We propose an innovative design that allows multiple zk-rollups to co-exist on the same smart contracts, simplifying their creation and customization. We then evaluate the first implementation of our system highlighting a low overhead on existing transaction types and on proof generation while strongly decreasing the cost of new transaction types and drastically reducing zk-rollup creation costs
High-dimensional efficient global optimization using both random and supervised embeddings
Full text linkBayesian optimization (BO) is one of the most powerful strategies to solve expensive black-box optimization problems. However, BO methods are conventionally used for optimization problems of small dimension because of the curse of dimensionality. In this paper, to solve high
dimensional optimization problems, we propose to incorporate linear embedding subspaces of small dimension to efficiently perform the optimization. An adaptive learning strategy for these linear embeddings is carried out in conjunction with the optimization. The resulting BO method, named EGORSE, combines in an adaptive way both random and supervised linear embeddings.
EGORSE has been compared to state-of-the-art algorithms and tested on academic examples with a number of design variables ranging from 10 to 600. The obtained results show the high potential of EGORSE to solve high-dimensional black-box optimization problems, both in terms of CPU time and number of calls to the expensive black-box
Disturbance growth in a laminar separation bubble subjected to free-stream turbulence
Full text linkExperiments were conducted to study the transition and flow development in a laminar separation bubble (LSB) formed on an aerofoil. The effects of a wide range of free-stream turbulence intensity (0.15 % < Tu < 6.26 %) and streamwise integral length scale (4.6mm<Λu < 17.2 mm) are considered. The co-existence of modal instability due to the LSB and non-modal instability caused by streaks generated by free-stream turbulence is observed. The flow field is measured using hot-wire anemometry, which showed that the presence of streaks in the boundary layer modifies the mean-flow topology of the bubble. These changes in the mean flow field result in the modification of the convective disturbance growth, where an increase in turbulence intensity is found to dampen the growth of the modal instability. For a relatively fixed level of Tu, the variation of Λu has modest effects. However, a slight advancement of the nonlinear growth of disturbances and eventual breakdown with the decrease in Λu is observed. The data show that the streamwise growth of the disturbance energy is exponential for the lowest levels of free-stream turbulence and gradually becomes algebraic as the level of free-stream turbulence increases. Once a critical turbulence intensity is reached, there is enough energy in the boundary layer to suppress the laminar separation bubble, resulting in the non-modal instability taking over the transition process. Linear stability analysis is conducted in the fore position of the LSB. It accurately models incipient disturbance growth, unstable frequencies and eigenfunctions for configurations subjected to turbulence intensity levels up to 3 %, showing that the mean-flow modification due to the non-modal instability dampens the modal instability
Modélisation et simulation de la crise d'ébullition dans les REP à l'échelle CFD
Full text linkDans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP), la chaleur dégagée par le combustible nucléaire est transférée à l’eau du circuit primaire, pressurisée à 150 bars pour éviter son ébullition. Cependant, en situation accidentelle, elle peut entrer en régime d’ébullition nucléée pouvant s’intensifier jusqu’à atteindre la crise d’ébullition. Ce point de transition quasi instantané entre l’ébullition nucléée et l’ébullition en film entraîne la formation d’une couche de vapeur stable sur les crayons combustible, associée à une forte augmentation de leur température pariétale créant un risque de rupture de leur gaine. La prédiction du flux critique (flux de chaleur auquel se produit la crise d’ébullition) représente donc un enjeu de sûreté majeur et est actuellement réalisée à l’aide de corrélations expérimentales spécifiques à une configuration, n’incluant pas de représentation fine de la physique de l’ébullition. Cette thèse s’intéresse à la modélisation de la physique de l’ébullition à l’échelle locale dite « CFD » (Computational Fluid Dynamics), à laquelle il est possible de réaliser des simulations d’écoulements bouillants avec une discrétisation spatiale de l’ordre du millimètre. Le code maison NEPTUNE_CFD, proposant une description eulérienne des écoulements multiphasiques à changement de phase, est l’outil de référence de EDF R&D pour enquêter sur ces problématiques aux échelles locales. Dans un premier temps, des simulations d’écoulements bouillants convectifs en tube vertical sont réalisées avec NEPTUNE_CFD. Des comparaisons avec l’expérience DEBORA (écoulement bouillant de réfrigérant R12 en similitude REP sur plusieurs adimensionnels) ont permis une évaluation du code dans des conditions similaires au cas industriel. Les résultats obtenus sont globalement en accord avec l’expérience, mais présentent des écarts notables sur le diamètre des bulles et la température paroi. Cette dernière est calculée au travers du modèle d’ébullition en paroi de NEPTUNE_CFD dit à « Partition du Flux Pariétal » (Heat Flux Partitioning), où le flux appliqué est découpé entre plusieurs mécanismes de transfert de chaleur (convection, évaporation, conduction instationnaire, etc.). Le cœur des travaux de thèse a alors consisté en la construction d’un nouveau modèle de Partition du Flux, avec objectif une prise en compte plus fine de la phénoménologie de l’ébullition en considérant notamment le glissement des bulles. Une modélisation de la dynamique des bulles en paroi a été développée par une approche mécaniste décrivant les forces appliquées sur la bulle. Les formulations de certaines forces (masse ajoutée, traînée, etc.) ont été réévaluées et permettent une prédiction satisfaisante des diamètres de détachement et des vitesses de glissement à basse et haute pression. Le modèle de Partition du Flux a été complété par une évaluation des nombreuses lois de fermetures requises (temps d’attente, densité de sites de nucléation, etc.) par comparaison avec des mesures expérimentales tirées de la littérature. Le nouveau modèle ainsi développé a ensuite été validé par comparaison avec des mesures de température de paroi et implémenté dans NEPTUNE_CFD. La prédiction du flux critique s’ancre en perspective de ces développements. Des observations expérimentales récentes décrivent la crise d’ébullition à l’aide de paramètres physiques inclus dans le modèle de Partition du Flux. Un critère basé sur la proportion de surface occupée par les bulles a été testé avec l’ancien modèle de NEPTUNE_CFD et semble proposer un comportement qualitativement cohérent. Enfin, on s’intéresse à une configuration de type tube avec des ailettes de mélange similaires à celles présentes en cœur de REP. Les simulations NEPTUNE_CFD montrent des écarts significatifs à l’expérience sur la prédiction du taux de vide à coeur. Des simulations monophasiques montrent une surestimation de la rotation du liquide, pouvant expliquer la trop grande accumulation de vapeur dans le cas bouillant