Genomics and Biotechnology of the Fruits Laboratory
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Simulation aux grandes échelles d'explosions en domaine semi-confiné
No full textDans le contexte actuel de croissance continue de la demande mondiale en combustible fossile, la sécurité de la production, du transport, ainsi que du stockage de l'énergie est un défi majeur de ce début de XXIème siècle. Les produits manipulés étant extrêmement volatils et inflammables, les éventuelles fuites qui peuvent survenir malgré les lourdes mesures de sécurité mises en place, peuvent engendrer des explosions désastreuses. Il existe donc un fort besoin d'être capable de prédire ces explosions afin de limiter les dégâts potentiels et d'assurer la sécurité des personnes et des biens. Dans cette optique, l'augmentation régulière des puissances de calcul permet à la CFD (Computational Fluid Dynamics) de se présenter comme une alternative intéressante aux expériences qui peuvent s'avérer couteuses et dangereuses. Les explosions sont des phénomènes multi-physiques qui sont principalement dirigés par la turbulence et la combustion et qui prennent place sur une très large gamme d'échelles nécessitant ainsi d'être modélisées. Aujourd'hui, des codes basés sur une approche URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont généralement utilisés afin de simuler des explosions de gaz dans des configurations à échelle industrielle. Cependant, l'émergence de la LES (Large Eddy Simulation), qui a déjà montré son potentiel à donner des prédictions plus fiables que le URANS sur des configurations instationnaires complexes, ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine de la sécurité explosion. Le but principal de cette thèse est d'évaluer l'apport des méthodes LES et de développer une méthodologie pour la prédiction des phénomènes réactifs turbulents transitoires que sont les explosions. Tout au long de cette étude, un intérêt particulier a été porté à l'approfondissement de la compréhension des phénomènes d'explosion ainsi qu'à la mise en valeur des points cruciaux de modélisation qui permettent une reproduction correcte des phénomènes considérés. Notre approche peut alors se résumer en deux temps : - Dans un premier temps nous nous sommes concentrés sur l'étude LES des déflagrations dans une chambre de combustion de petite échelle : la configuration expérimentale de l'Université de Sydney. La LES associée à un modèle de flamme épaissie a ainsi été appliquée à cette configuration à l'aide du code AVBP (développé par le CERFACS et l'IFP-EN) et a permis de mettre en place une méthodologie de calcul. Une étude de Quantification d'Incertitude (UQ) a ensuite été réalisée sur ces simulations afin d'évaluer la fiabilité de ces résultats, ce qui est primordial dans ce contexte d'étude de sécurité. - Dans un second temps, le but a été d'extrapoler les résultats obtenus sur la configuration de petite échelle à des configurations de plus grande échelle, plus représentatives des configurations industrielles réelles de plateformes pétrolières ou de dépôts de carburants qui constituent l'objectif final visé. Une campagne expérimentale a ainsi été lancée afin de construire des répliques de la configuration de Sydney à des échelles plus importantes et de les étudier numériquement grâce à la méthodologie LES mise en place sur la configuration de petite échelle. Afin de replacer notre étude dans le contexte actuel et de le relier à l'état-de-l'art en matière d'étude de risque d'explosions, d'autres calculs de ces configurations d'explosion ont été réalisés en parallèle de l'étude LES, premièrement avec un code phénoménologique développé dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'avec le code URANS FLACS. Ceci a permis de mettre en évidence leurs limitations ainsi que l'apport de la LES pour ce type d'étude. ABSTRACT : Within the current context of increasing global demand of fossil fuels, the safety of production, transport, and storage of energy is a major challenge of this early 20th century. The products used are highly volatile and flammable. The eventual leakages which could occur (in spite of the strong safety measures) can lead to dramatic explosions. As a consequence, we need to be able to predict these explosions in order to limit their potential damages and ensure the human and material safety. To this end, the growing of computational power makes the CFD (Computational Fluid Dynamics) an interesting alternative to experiments which can be expensive and dangerous. Gas explosions are multi-physics phenomena mainly driven by turbulence and combustion which take place over a wide range of scales and need to be modeled. Today, CFD codes based on the URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) approach are usually used to simulate gas explosions at industrial scale. However, the emergence of LES (Large Eddy Simulation) has already shown its potential to give more accurate prediction than URANS on complex unsteady configurations. This opens new perspectives for the field of explosion safety. The main aim of this thesis is to assess the benefits of using LES for gas explosion studies and to develop a methodology to predict these unsteady turbulent reactive phenomena. All along this thesis, efforts have been made to increase our understanding of explosions and to highlight key points of modeling which enable an accurate reproduction of the considered phenomena. Our work can be summed up in two parts: - First, the focus was on the LES study of deflagrations in a small scale explosion chamber: the experimental setup of the University of Sydney. LES combined with a thickened flame approach has been applied to this configuration with the AVBP code (developed by CERFACS and IFP-EN) and enabled to set up a computation methodology. An Uncertainty Quantification (UQ) study has then been performed over these simulations in order to asses the reliability of these results, which is essential in this context of safety related studies. - Then, the aim was to extend the conclusions obtained for the small scale configurations to larger scales, more representative of real industrial cases of oil platforms or fuel storage facilities which are the final aim. An experimental campaign has consequently be launched in order to build replicas of the Sydney test-case at larger scales and to study them numerically using the LES methodology developed with the small scale configuration. In order to put our study back into the current context and to link it to the state-of-the-art of explosion risk assessment studies, several other simulations of these explosion configurations have been performed, first using a 0D phenomenological code developed in the framework of this thesis, and then using the URANS CFD code FLACS. This enabled to highlight the limitations of these approaches and the advantages of LES for this type of study
Performances de détection et de localisation des terminaux « SAR » dans le contexte de transition MEOSAR
No full textLe système Cospas-Sarsat est un système de recherche et de sauvetage à l’échelle mondiale qui fonctionne à l’aide de satellites en orbite basse et de satellites en orbite géostationnaire. La constellation de satellites actuelle est en cours de remplacement par des satellites en orbite moyenne qui couvrent de plus grandes zones de la surface de la Terre permettant des alertes quasi instantanées. L’objectif de cette thèse est d’étudier les performances de localisation de ce nouveau système, qui a été nommé système MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). Nous étudions d’abord la qualité de la liaison entre la balise de détresse, le satellite, et la station de réception au sol à l’aide d’un bilan de liaison. Ensuite, nous proposons un modèle de signal basé sur des fonctions sigmoïdes afin de modéliser les transitions douces du signal de détresse. Pour ce modèle, les performances de localisation (en terme de bornes de Cramér-Rao et de la variance d’estimateurs) sont étudiées pour l’estimation de position de la balise, et pour l’estimation de différents paramètres, y compris le temps d’arrivée, la fréquence d’arrivée et la durée du symbole. Ensuite, nous étudions l’impact de l’ajout d’information a priori sur la période symbole et sur le temps de montée du signal, qui proviennent des tolérances autorisées sur les spécifications des balises de détresse. Nous étudions également l’erreur introduite par l’ajout de bruit de phase caractéristique des oscillateurs des balises, et nous considérons l’amélioration de l’estimation de position en prenant en compte les multiples émissions de la balise de détresse. Finalement, les performances de localisation du système MEOSAR sont données pour les balises de détresse de deuxième génération, qui sont en cours de développement, et qui utilisent une modulation avec étalement de spectre. ABSTRACT : Cospas-Sarsat is an international search and rescue system that operates using low-orbit satellites and geostationary satellites. The current satellite constellation is being replaced by medium Earth orbit satellites which will cover larger areas of the surface of the Earth, permitting almost instantaneous alerts. The objective of this thesis is to study the localization performance of this new system, named MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). We first study the quality of the link between the beacon, the satellite and the ground receiving station through a link budget. Then, we propose a signal model based on sigmoidal functions to model the smooth transitions of the distress signal. For this model, the localization performance (in terms of Cramér-Rao bounds and estimator variances) is studied for the estimation of the beacon position and for different parameters including the time of arrival, the frequency of arrival and the symbol width. Then, we study the impact of adding prior information on the symbol width and the signal rise time, which are constructed from the allowed tolerances on the beacon specifications. We also investigate the error introduced by the addition of oscillator phase noise, and we show how the position estimation can be improved by taking into account multiple emissions of the beacon. Finally, the localization performance of the MEOSAR system is studied for second generation beacons, which are being developed using spread spectrum modulation
Enhancing the use of online 3d multimedia content through the analysis of user interactions
No full textDe plus en plus de contenus 3D interactifs sont disponibles sur la toile. Visualiser et manipuler ces contenus 3D en temps réel, de façon naturelle et intuitive, devient donc une nécessité. Les applications visées sont nombreuses : le e-commerce, l'éducation et la formation en ligne, la conception, ou l'architecture dans le contexte par exemple de musées virtuels ou de communautés virtuelles. L'utilisation de contenus 3D en ligne ne propose pas de remplacer les contenus traditionnels, tels que les textes, les images ou les vidéos, mais plutôt d'utiliser la 3D en complément, pour enrichir ces contenus. La toile est désormais une plate-forme où les contenus hypertexte, hypermédia, et 3D sont simultanément disponibles pour les utilisateurs. Cette utilisation des contenus 3D pose cependant deux questions principales. Tout d'abord, les interactions 3D sont souvent lourdes puisqu'elles comprennent de nombreux degrés de liberté; la navigation dans les contenus 3D peut s'en trouver inefficace et lente. Nous abordons ce problème en proposant un nouveau paradigme basé sur l'analyse des interactions (crowdsourcing). En analysant les interactions d'utilisateurs 3D, nous identifions des régions d'intérêt (ROI), et générons des recommandations pour les utilisateurs suivants. Ces recommandations permettent à la fois de réduire le temps d'interaction pour identifier une ROI d'un objet 3D et également de simplifier les interactions 3D nécessaires. De plus, les scènes ou objets 3D contiennent une information visuelle riche. Les sites Web traditionnels contiennent, eux, principalement des informations descriptives (textuelles) ainsi que des hyperliens pour permettre la navigation. Des sites contenants d'une part de l'information textuelle, et d'autre part de l'information 3D peuvent s'avérer difficile à appréhender pour les utilisateurs. Pour permettre une navigation cohérente entre les informations 3D et textuelles, nous proposons d'utiliser le crowdsourcing pour la construction d'associations sémantiques entre le texte et la visualisation en 3D. Les liens produits sont proposés aux utilisateurs suivants pour naviguer facilement vers un point de vue d'un objet 3D associé à un contenu textuel. Nous évaluons ces deux méthodes par des études expérimentales. Les évaluations montrent que les recommandations réduisent le temps d'interaction 3D. En outre, les utilisateurs apprécient l'association sémantique proposée, c'est-à-dire, une majorité d'utilisateurs indique que les recommandations ont été utiles pour eux, et préfèrent la navigation en 3D proposée qui consiste à utiliser les liens sémantiques ainsi que la souris par rapport à des interactions utilisant seulement la souris. ABSTRACT : Recent years have seen the development of interactive 3D graphics on the Web. The ability to visualize and manipulate 3D content in real time seems to be the next evolution of the Web for a wide number of application areas such as e-commerce, education and training, architecture design, virtual museums and virtual communities. The use of online 3D graphics in these application domains does not mean to substitute traditional web content of texts, images and videos, but rather acts as a complement for it. The Web is now a platform where hypertext, hypermedia, and 3D graphics are simultaneously available to users. This use of online 3D graphics, however, poses two main issues. First, since 3D interactions are cumbersome as they provide numerous degrees of freedom, 3D browsing may be inefficient. We tackle this problem by proposing a new paradigm based on crowdsourcing to ease online 3D interactions, that consists of analyzing 3D user interactions to identify Regions of Interest (ROIs), and generating recommendations to subsequent users. The recommendations both reduce 3D browsing time and simplify 3D interactions. Second, 3D graphics contain purely rich visual information of the concepts. On the other hand, traditional websites mainly contain descriptive information (text) with hyperlinks as navigation means. The problem is that viewing and interacting with the websites that use two very different mediums (hypertext and 3D graphics) may be complicated for users. To address this issue, we propose to use crowdsourcing for building semantic associations between texts and 3D visualizations. The produced links are suggested to upcoming users so that they can readily locate 3D visualization associated with a textual content. We evaluate the proposed methods with experimental user studies. The evaluations show that the recommendations reduce 3D interaction time. Moreover, the results from the user study showed that our proposed semantic association is appreciated by users, that is, a majority of users assess that recommendations were helpful for them, and browsing 3D objects using both mouse interactions and the proposed links is preferred compared to having only mouse interactions
Identification du comportement de composites en fatigue bi-axiale
No full textLa connaissance du comportement de composites sous un état de contraintes multi-axial reste un enjeu majeur pour l’optimisation du dimensionnement des structures. La machine de fatigue bi-axiale présente au LGP permet de générer un état de contrainte bi-axial par l’utilisation d’éprouvettes cruciformes. La conception des éprouvettes reste un enjeu majeur pour les chercheurs pour répondre aux problèmes spécifiques liés aux matériaux composites. Un nouveau type d’éprouvette cruciforme en composite sera conçu en lien avec les problématiques liées au procédé d’infusion de résine liquide (LRI). Il sera ensuite fabriqué avec ce procédé et utilisé pour caractériser le comportement de composites en fatigue bi-axiale. Le suivi des essais sera réalisé en utilisant simultanément un système de corrélation d’images numériques et un système de thermographie infrarouge. La corrélation d’images est une technique optique de mesure de champs qui permet d’obtenir la cartographie des déplacements sur la totalité de la surface de l’éprouvette testée. La thermographie infrarouge permet d’avoir accès à la cartographie de température sur cette surface. Une corrélation entre les données provenant des deux systèmes sera effectuée pour tenter de remonter aux mécanismes d’endommagement des composites lors d’une sollicitation en fatigue bi-axiale. Une corrélation entre des données uni-axiales et bi-axiales sera effectuée. ABSTRACT : Knowledge of the behavior of composite materials under multi-axial stress state remains a major objective for structure sizing and optimization. The bi-axial fatigue machine owned by the LGP allows generating a bi-axial stress state, using cruciform specimens. The design of such specimens is a real challenge for researchers to face the specific problems linked to composite materials. A new kind of cruciform specimen will be designed specifically for composite materials manufactured using the liquid resin infusion (LRI) process. It will be manufactured with this process and used to characterize the behavior of composite materials under bi-axial loading. The monitoring of the experiments will be achieved using simultaneously digital image correlation (DIC) to measure the displacements and infrared thermography to measure the temperature variations. DIC is a full field measuring technique which allows obtaining the full cartography of the displacements all over the surface of the specimen. Infrared thermography is also a full field measuring technique used to obtain the cartography of temperature on the whole surface of the specimen. A correlation between the data obtained with both systems will be attempted to identify the damage mechanisms of composites under bi-axial fatigue. A correlation between uni-axial and bi-axial data will also be attempted
Caractérisations chimiques et biologiques d’extraits de plantes aromatiques et médicinales oubliées ou sous-utilisées de Midi-Pyrénées (France) et de Chongqing (Chine)
No full textLes régions de Midi-Pyrénées (France) et de Chongqing (Chine) sont riches en plantes aromatiques et médicinales dites oubliées (ou médiévales). Afin de valoriser pleinement les différentes bio-molécules extractibles de ces plantes, le concept de MAP-raffinerie a été créé et appliqué à une sélection de plantes issues de ces deux régions. Plusieurs technologies d’extraction utilisant l’eau comme solvant vert (hydrodistillation, distillation à la vapeur et extraction par eau sub-critique) ont ainsi été employées et leur impact tant sur la composition des huiles essentielles que sur la récupération des molécules anti-oxydantes a été évalué. Dans un premier temps, une liste de plantes aromatiques et médicinales oubliées, voire sous-utilisées dans les deux régions a été établie selon des règles de sélection prédéfinies. Six plantes modèles de la région de Midi-Pyrénées (Tussilago farfara L., Calendula arvensis L., Robinia pseudoacacia L., Geranium robertianum L., Cytisus scoparius L. et Spartium junceum L.) et trois plantes de la région de Chongqing (Tussilago farfara L., Citrus aurantium L. et Saussurea costus) ont finalement été retenues. Puis, le concept de MAP-raffinerie a été appliqué à ces plantes afin d’étudier leur possible valorisation globale. L’étude des compositions chimiques des extraits volatils des racines de Tussilago farfara L. et de Calendula arvensis L., ainsi que des boutons de fleurs de Spartium junceum L. a été réalisée par GC et GC-MS pour la première fois. Les principaux composés chimiques dans l’extrait volatil de racines de Tussilago farfara L. étaient des hydrocarbures sesquiterpéniques et des composés aliphatiques tandis que les principaux composés chimiques dans l’extrait volatil de racines de Calendula arvensis L. étaient des sesquiterpènes oxygénés, des monoterpènes oxygénés et des diterpènes oxygénés. L’extrait volatil de boutons de fleurs de Spartium junceum L. était principalement composé de composés aliphatiques. Par ailleurs, les résultats de l’évaluation des capacités anti-oxydantes des extraits (par les tests DPPH, ABTS, FRAP, ORAC et Folin-Ciocalteu) ont montrés que plusieurs plantes comme Cytisus scoparius L., Tussilago farfara L., Citrus aurantium L. ou Robinia pseudoacacia L. pourraient être des sources potentielles d’anti-oxydants naturels. D’un point de vue technologique, les comparaisons de l’utilisation de l’hydrodistillation (HD), de la distillation à la vapeur (SD) et de l’extraction par eau sub-critique (SWE) ont montrées que si la HD et la SD ont des effets limités sur la composition des huiles essentielles, la HD semble être une méthode plus efficace pour la récupération des composés anti-oxydants à partir des résidus de distillation que la SD tandis que la SWE s’avère être une technologie prometteuse pour l’extraction directe de ces molécules à partir des plantes. Si la composition minérale de l’eau lors de l’hydrodistillation n’a que des effets très limités sur les rendements d’extraction, les teneurs en ions calcium et bicarbonate des eaux ont par contre des effets décroissants significatifs sur la capacité anti-oxydante et sur la teneur phénolique totale des extraits aqueux et méthanoliques. Au vue de ces résultats, un concept amélioré de MAP-raffinerie a été développé en intégrant une extraction à l’eau sub-critique pour l’extraction des composés anti-oxydants des résidus d’extraction primaire. Selon ce nouveau concept, cinq extraits peuvent être obtenus à partir des matières végétales: un extrait volatil, un extrait aqueux, un extrait méthanolique, un extrait à l’eau sub-critique et in fine un résidu solide. Les premiers résultats ont montrés que la "MAP-raffinerie améliorée" augmente de manière significative la récupération des antioxydants par rapport à la MAP-raffinerie originale et permet d’envisager une valorisation plus facile du résidu solide en agro-matériaux du fait de sa faible teneur en eau résiduelle. ABSTRACT : In both Midi-Pyrénées region (France) and Chongqing region (China), there are rich and underutilized medicinal and aromatic plants (MAP). Aiming at fully exploiting different molecules in these plants, the concept of MAP-refinery was developed and applied to several underutilized medicinal and aromatic plants in these two regions. Several water-based green extraction technologies of natural products (e.g. hydrodistillation, steam distillation and subcritical water extraction) were also investigated to look at their effects on essential oil composition and antioxidants recovery from selected plants. Firstly, lists of forgotten or underutilized medicinal and aromatic plants in both regions were established according to the rules of selection. From the lists, six plants in the Midi-Pyrénées region (Tussilago farfara L., Calendula arvensis L., Robinia pseudoacacia L., Geranium robertianum L., Cytisus scoparius L. and Spartium junceum L.) and three plants in the Chongqing region (Tussilago farfara L., Citrum aurantium L. and Saussurea costus) were finally selected for investigations. Then the MAP-refinery was applied to the selected plants in two regions in order to realise their global valorisation. Volatile extracts composition in the roots of Tussilago farfara L. and Calendula arvensis L., as well as flower buds of Spartium junceum L. were firstly investigated. The main chemical compounds in volatile extract from Tussilago farfara L. roots were sesquiterpene hydrocarbons and aliphatic compounds while main chemical compounds in volatile extract from Calendula arvensis L. roots were oxygenated sesquiterpenes, oxygenated monoterpenes and oxygenated diterpenes. The volatile extract from flower buds of Spartium junceum L. was mainly composed of aliphatic compounds. Antioxidant capacity evaluation results (by DPPH, ABTS, FRAC, ORAC and Folin-Ciocalteu tests) showed that several plant samples like Cytisus scoparius L., Tussilago farfara L., Citrum aurantium L. and Robinia pseudoacacia L. could be potential sources of natural antioxidants. Comparisons of hydrodistillation (HD), steam distillation (SD) and subcritical water extraction (SWE) showed that HD and SD had limited effects on essential oil composition but HD, SD and SWE had significant impacts on the recovery of antioxidants. Hydrodistillation seemed to be a better method for recovery of antioxidant compounds from residues of distillation than steam distillation. However, SWE appeared to be a more efficient method for direct extraction of antioxidant molecules (or phenolic compounds) from plants. In the hydrodistillation process, mineral contents in water were found to have very limited effects on yields of extracts but calcium and bicarbonate ions, had significant decreasing effects on antioxidant capacity and total phenolic content of both aqueous and methanolic extracts. Finally, an improved MAP-refinery was developed. Subcritical water was used for further extraction of antioxidant compounds from residues in original MAP-refinery. In this way, five parts could be obtained from plant materials: volatile extract, aqueous extract, methanolic extract, subcritical water extract and the final residue. The results showed that the improved MAP-refinery significantly increased the recovery of antioxidants compared with original MAP-refinery. This promising process will also allow a better valorisation of the final solid residue due to the lower content of residual water
Extensions of sampling-based approaches to path planning in complex cost spaces: applications to robotics and structural biology
No full textPlanifier le chemin d’un robot dans un environnement complexe est un problème crucial en robotique. Les méthodes de planification probabilistes peuvent résoudre des problèmes complexes aussi bien en robotique, qu’en animation graphique, ou en biologie structurale. En général, ces méthodes produisent un chemin évitant les collisions, sans considérer sa qualité. Récemment, de nouvelles approches ont été créées pour générer des chemins de bonne qualité : en robotique, cela peut être le chemin le plus court ou qui maximise la sécurité ; en biologie, il s’agit du mouvement minimisant la variation énergétique moléculaire. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs extensions de ces méthodes, pour améliorer leurs performances et leur permettre de résoudre des problèmes toujours plus difficiles. Les applications que nous présentons viennent de la robotique (inspection industrielle et manipulation aérienne) et de la biologie structurale (mouvement moléculaire et conformations stables). ABSTRACT : Planning a path for a robot in a complex environment is a crucial issue in robotics. So-called probabilistic algorithms for path planning are very successful at solving difficult problems and are applied in various domains, such as aerospace, computer animation, and structural biology. However, these methods have traditionally focused on finding paths avoiding collisions, without considering the quality of these paths. In recent years, new approaches have been developed to generate high-quality paths: in robotics, this can mean finding paths maximizing safety or control; in biology, this means finding motions minimizing the energy variation of a molecule. In this thesis, we propose several extensions of these methods to improve their performance and allow them to solve ever more difficult problems. The applications we present stem from robotics (industrial inspection and aerial manipulation) and structural biology (simulation of molecular motions and exploration of energy landscapes)
Optimal streaks amplification in wakes and vortex shedding control
No full textLes amplifications optimales d'énergie de structures quasiment alignées dans le sens de l'écoulement sont calculées dans le cas d'un sillage parallèle, d'un sillage synthétique faiblement non-parallèle et du sillage d'un cylindre. Il a été observé que de très grandes amplifications d'énergie peuvent être supportés par ces sillages. L'amplification d' énergie s'accroît avec la longueur d'onde des perturbations en envergure à l'exception du sillage du cylindre pour lequel l'accroissement d'énergie est maximal pour λz ≈ 5 − 7 D. Les structures amplifiées de manière optimale sont les streaks fluctuant dans le sens de l’écoulement. Il est montré que ces streaks sont capables de supprimer complètement l'instabilité absolue d'un sillage parallèle lorsqu'ils sont déclenchés avec une amplitude finie. L'instabilité globale d'un sillage faiblement non-parallèle et celle du sillage d'un cylindre peuvent être complètement supprimées par des
streaks d'amplitude modeste. L'énergie de contrôle requise pour stabiliser le sillage est très faible lorsque les perturbations optimales sont utilisées, et il est montré qu'elle est toujours plus faible que celle qui devrait être utilisée pour un contrôle uniforme en envergure (2D). Il est aussi montré que la dépendance du taux de croissance est quadratique et que, par conséquent, les classiques analyses de sensibilité au premier ordre ne permettent pas de prédire la grande efficacité de la technique de contrôle par streaks. La dernière partie de ce travail livre des résultats préliminaires sur l'étude expérimentale du contrôle par streaks dans le cas du sillage turbulent d'un corps 3D. Il est montré que les streaks forcés artificiellement dans la zone d'instabilité absolue de l'écoulement sont capables de modifier la dynamique du sillage. ABSTRACT : We compute optimal energy growths leading to streamwise streaks in parallel, weakly non-parallel and the circular cylinder wakes. We find that very large energy amplifications can be sustained by these wakes. The energy amplifications increase with the spanwise wavelength of the perturbations except in the circular cylinder wake where maximum energy growths are reached for λz ≈ 5 − 7 D. The optimally amplified structures are streamwise streaks. When forced with finite amplitudes these streaks are shown, in parallel wakes, to be able to completely suppress the absolute instability. The global instability of the weakly non-parallel and the circular cylinder wakes can be completely suppressed with moderate streaks amplitudes. The energy required to stabilize the wake is much reduced when optimal perturbations are used, and it is shown to be always smaller than the one that would be required if a 2D control was used. It is also shown that the sensitivity of the global mode growth rate is quadratic and that therefore usual first order sensitivity analyses are unable to predict the high efficiency of the control-by-streaks strategy
Selection, development and design of a continuous and intensified reactor technology to transform waste cooking oil in biodiesel and biosourced formulations
No full textL'objectif de cette thèse est de proposer un réacteur continu et intensifié pour la transformation d’huiles végétales de récupération en produits ou intermédiaires qui seront ensuite utilisés ou formulés en applications destinées au BTP. Ce travail s’inscrit dans le cadre du FUI AGRIBTP, projet de recherche collaboratif qui a pour finalité la création d'un outil industriel de valorisation des sous-produits de l'agro-industrie. Le réacteur se veut pluri-réactionnel, c’est-à-dire adapté et efficace pour réaliser les réactions de transestérification ou d’estérification par le méthanol ou par le glycérol, pour une consigne de production fixée à 100 kg/h. Pour parvenir à cet objectif, une revue de la littérature a permis de dégager une liste de technologies de réacteurs adaptés à ces réactions. L’analyse comparative de ces systèmes a conduit à sélectionner trois types de réacteurs intensifiés existant dans le commerce et qui ont été ensuite testés expérimentalement: les réacteurs microstructurés (type Corning®), les réacteurs micro-ondes et les réacteurs pulsés à chicanes (type NiTech®). De bonnes conversions sont obtenues pour les réactions de transestérification et d’estérification par le méthanol, montrant une meilleure efficacité de ces réacteurs intensifiés par rapport aux réacteurs conventionnels; en revanche les résultats sont encore insuffisants pour l’estérification avec le glycérol en raison de limitations en température. Concernant le réacteur micro-ondes, les excellents résultats rapportés dans la littérature sont à modérer en raison d’une imprécision de mesure de la température. La technologie de réacteurs pulsés à chicanes a finalement été retenue : leur flexibilité, l’indépendance entre le débit et le mélange généré, et enfin leur diamètre suffisamment étendu pour ne pas générer de blocage éventuel dû à l’encrassement du réacteur par la matière entrante sont les principaux arguments qui ont guidé ce choix. Le système disponible construit en verre a tout de même montré ses limites en montée en température et en pression et il a donc été envisagé d’étoffer nos investigations dans des gammes de fonctionnement plus larges. Ainsi une collaboration avec le laboratoire TNO de Delft, aux Pays-Bas a permis d’avoir accès à un réacteur pulsé à chicanes en acier inoxydable. Les résultats obtenus pour la réaction d’estérification par le glycérol - qui n’offrait pas jusqu’à présent des données concluantes - sont satisfaisants, et même de qualité supérieure comparés à ceux obtenus avec un réacteur tubulaire hélicoïdal lui aussi pulsé. Parallèlement à ces études, des simulations numériques des écoulements dans le réacteur ont permis de proposer des améliorations de la forme des chicanes, celle-ci étant déterminante pour la bonne capacité de dispersion liquide-liquide des réactifs immiscibles et la qualité du mélange. Ces simulations ont été comparées à des mesures de vitesses obtenues sur un pilote expérimental conçu pour permettre la visualisation par technique laser des écoulements dans un élément du réacteur à chicanes. Pour terminer, l’extrapolation des résultats obtenus sur les pilotes étudiés à une échelle de production de 100 kg/h a été initiée, aboutissant à la proposition d’un procédé permettant la production sélective de monoglycérides via l’estérification par le glycérol, mais également la fabrication de biodiesel par la transestérification, incluant un réacteur intensifié pulsé dont la géométrie de chicanes a été optimisée, et ce afin de répondre à l’objectif initial de la thèse. ABSTRACT : The objective of this thesis is to propose a continuous and intensified reactor to transform waste cooking oil into products that will be used in applications in the building and public works sector. This work is part of the FUI AGRIBTP, a collaborative research project whose finality is to the creation of an industrial tool for the reuse of co-products from agroindustries. The reactor must be able to handle transesterification and esterification (with methanol or with glycerol) reactions efficiently with a total flow rate of 100 kg/h. To achieve this objective, a literature review has identified a list of suitable reactor technologies for these reactions. The comparative analysis of these different technologies has led to the selection of three types of intensified reactors microstructured reactors (Corning® type), microwave reactors and oscillatory baffled reactors (NiTech® type). The performance of these reactors for transesterification and esterification reactions has then been investigated experimentally. High conversions have been obtained for transesterification and esterification with methanol reactions, thereby showing the improved performance of these intensified reactors compared with conventional reactors; however results obtained with esterification with glycerol reaction are still rather low due to limitations in operating temperature. Concerning the microwave reactor, the excellent results previously reported in the literature should be taken with care because of the inaccuracy of temperature measurements, as proven in this work. The oscillatory baffled reactor technology has been selected has the most industrially viable equipment for the considered reactions. The flexibility of this reactor, the independency of the flow rate and mixing, as well as the diameter ,which is large enough to avoid fouling caused by the quality of the feed line, are the main reasons for this choice. The commercial available system, built in glass, has nevertheless shown limitations in terms of operating temperature and pressure. As a result, further work has focused on reactor operation in a wider range of operating conditions. To do this, a collaboration with the TNO laboratory in Delft, Netherlands, was set up in order to investigate reaction performance an oscillatory baffled reactor made of stainless steel. The reaction performance obtained for esterification with glycerol is more than satisfactory, being significantly greater that that obtained in the glass Nitech reactor and even of higher quality compared to that obtained with a oscillatory helicoidal tubular reactor. In parallel to these studies, CFD simulations of flow in the reactor have enable the investigation of new baffle designs, which play a major role in the capacity to generation liquid-liquid dispersions of the immiscible reactants and in the quality of the mixing. These simulations have been compared with velocity measurements and flow patterns obtained in a transparent experimental rig using Particle Image Velocimetry. Finally, the results obtained on the pilot-scale rigs have been used to size a the oscillatory flow reactor for a total flow rate of 100 kg/h, which would be dedicated to the selective production of monoglycerides by esterification with glycerol reaction and also biodiesel production by transesterification reaction
Les dendro-microhabitats : facteurs clés de leur occurrence dans les peuplements forestiers, impact de la gestion et relations avec la biodiversité taxonomique
No full textLes microhabitats portés par les arbres (dendro‐microhabitats), comme les cavités, sont nombreux dans les forêts naturelles. Une revue de la littérature a révélé qu'ils sont des ressources d'habitat évolutives, temporaires, et déterminantes pour la bio‐complexité des écosystèmes forestiers. Leur étude est cependant récente et les connaissances sont par conséquent fragmentaires. En forêt exploitée, les dendro‐microhabitats sont des objets sylvicoles simples et bien catégorisés, souvent comme des défauts de l'arbre dévaluant sa valeur commerciale. Comment concilier alors le maintien d'objets écologiques cruciaux et les objectifs économiques de production de bois de haute qualité marchande ? Ce travail de thèse avait comme objectifs d'une part de contribuer à une meilleure qualification du rôle écologique des dendro‐microhabitats pour la biodiversité et, d'autre part, de fournir des éléments de réponse pratiques aux gestionnaires d'espaces forestiers soucieux d'intégrer la conservation d'une diversité d'espèces dans leur gestion courante. Il a nécessité la mise en place de 1028 placettes dans 210 forêts françaises dans lesquelles nous avons observé environ 55 000 arbres. Nous avons étudié les relations entre les dendromicrohabitats et la richesse et la composition spécifiques de neuf taxons. Dans le cadre de l'analyse des caractéristiques‐clés de l'arbre et du peuplement pour les dendro‐microhabitats, nous avons montré que l'association des variables essence et diamètre explique respectivement 26 % et 31 % de la variance de l'occurrence des dendro‐microhabitats et de leur diversité dans les hêtraies‐sapinières inexploitées depuis plus de 100 ans. Nous avons défini des seuils de diamètre significatifs pour l'occurrence et la diversité des dendro‐microhabitats portés par le Hêtre (Fagus sylvatica L.) et le Sapin pectiné (Abies alba Mill.). D'autre part, la densité de dendro‐microhabitats et le volume de bois mort ainsi que leurs diversités respectives sont relativement constants tout au long du cycle sylvigénétique des forêts mixtes de montagne. Les feuillus secondaires jouent un rôle crucial dans la régulation de ces stocks en les complétant dans les phases où les dryades fournissent peu de dendro‐microhabitats et de bois mort. Un minimum de 10 hectares est nécessaire pour observer toute la diversité des dendro‐microhabitats. Dans les forêts exploitées, nous avons observé des patrons d'occurrence des dendro‐microhabitats drastiquement différents de ceux observés dans les forêts inexploitées depuis plus d'un siècle : les dendro‐microhabitats y sont toujours moins diversifiés et la densité relative de chaque type est modifiée. Après arrêt de l'exploitation, la reconstitution des stocks de dendro‐microhabitats est lente dans les forêts feuillues de plaine. Un arrêt de l'exploitation pendant 30 années est insuffisant pour observer une reconstitution du stock de dendro‐microhabitats dans tous les contextes et pour changer significativement les communautés de Coléoptères saproxyliques. En mesurant la contribution des dendro‐microhabitats à la biodiversité, nous avons observé que la densité d'arbres porteurs de cavités et de sporophores de champignons lignivores est une variable structurante pour la composition des assemblages et la richesse spécifique des Coléoptères saproxyliques. La densité d'arbres porteurs de dendro‐microhabitats et d'arbres porteurs spécifiquement de bois dur sans écorce ou de sporophore de polypores est significativement corrélée à la richesse spécifique des polypores. Le degré d'ouverture du peuplement ou les conditions climatiques locales affectent, dans certains cas, ces relations. Afin d'harmoniser les futurs protocoles de recherche sur les dendro‐microhabitats et de faciliter le partage des données, nous avons proposé une typologie hiérarchique de référence des dendro‐microhabitats. De plus, nous avons amélioré le facteur dendro‐microhabitats d'un outil d'aide à la gestion intégrée, l'Indice de biodiversité potentielle (IBP), et nous avons inclus les dendro‐microhabitats dans un modèle de simulation de dynamique forestière, Samsara 2. En sus d'être des outils pertinents en biologie de la conservation, les dendro‐microhabitats constituent des microcosmes naturels qui ouvrent également des perspectives de recherches en écologie plus fondamentale. Nous espérons que nos travaux contribueront à faire évoluer le regard des forestiers sur les écosystèmes qu'ils gèrent. ABSTRACT : Tree microhabitats, such as cavities, are diverse and abundant in natural forests. A literature review revealed that they are dynamic and temporary key habitat resources for the complexity of forest ecosystems. However, since their study is recent, they are still poorly known. In harvested forest, tree microhabitats are well categorized as silvicultural items, mostly as wood defaults decreasing its commercial value. Therefore, how to reconcile the retention of ecological objects crucial for biodiversity and the production of high‐quality timber? This PhD thesis aimed, on the one hand, at participating to better qualify the ecological roles of tree microhabitats for forest biodiversity and, on the other hand, at giving practical recommendations to forest managers who integrate the conservation of species diversity in their usual management. 1028 plots were set up in 210 French forests to observe about 55,000 trees. We studied the relationships between tree microhabitats and species richness and composition of 9 taxa. Through the analysis of key features for tree microhabitats at the tree and stand levels, we showed that tree species and diameter at breast height explain 26 and 31 % of the variations in microhabitat occurrence and diversity, respectively, in beech‐fir forest unlogged for more than 100 years. We highlighted significant diameter thresholds for the occurrence and diversity of microhabitats borne by beech (Fagus sylvatica L.) and silver fir (Abies alba Mill.). Furthermore, tree microhabitat density, deadwood volume and their diversity were shown to be roughly constant throughout the silvigenetic cycle in mountain mixed forests. Secondary tree species play a crucial role in the regulation of deadwood and microhabitat pools, especially during the phases where the dryad trees supply a low amount of microhabitats and deadwood. A surface of unharvested forest more than 10 hectares in area is necessary to observe the whole microhabitat diversity. Microhabitat occurrence patterns in logged forests were drastically different from those observed in forests unlogged for more than one century: tree microhabitats were systematically less diverse and the relative density of microhabitat types was modified. Moreover, the restoration of tree microhabitat pools was slow in set‐aside plain broadleaved forests. More than 30 years without harvests were not sufficient to observe the restoration of the tree microhabitat pool and significant changes in saproxylic beetle communities in all forest contexts. We measured the contribution of tree microhabitats to biodiversity, and we observed that the density of cavity‐ and fungus‐bearing trees were significant drivers for species richness and composition of saproxylic beetle assemblages. The density of trees bearing microhabitats, especially bark losses, significantly influenced the species richness of polypores. The stand openness and local climatic conditions affected these relationships in several forest‐taxon cases. We proposed a reference hierarchical typology of tree microhabitats in order to harmonize survey protocols and to facilitate data sharing in the future. Furthermore, we improved the consideration of tree microhabitats in an integrated management tool, i.e. the Potential Biodiversity Index (PBI). We also included the tree microhabitat pool into a simulation model of mountain forest dynamics (Samsara 2). Apart from being relevant management tools in conservation biology, tree microhabitats stand for natural microcosms available to further fundamental ecological researches. We hope that our work will help foresters to have a new insight on their managed forests
Ab initio calculation of H interactions with defects in fcc metals: crack tip dislocations and vacancies
No full textDans de nombreuses applications technologiques des alliages métalliques structurés, la fragilisation par l'hydrogène (HE) est une préoccupation majeure car elle peut pénétrer dans la plupart des métaux, dégrader leurs propriétés et conduire à des défaillances prématurées. Malgré de nombreux efforts durant ces dernières décennies, au cours desquelles de nombreux mécanismes microscopiques ont été proposées, une compréhension claire des mécanismes de fragilisation H n'a pas encore été atteint. Depuis qu'il processus se produisent sur une échelle atomique, les mécanismes exacts conduisant à HE ne sont pas facilement identifiés expérimentalement. Une amélioration possible serait d'utiliser des simulations à l'échelle atomique pour essayer de capturer les détails des processus de déformation et de rupture au niveau atomique, permettant l'enquête du mécanisme microscopique pertinente. Dans un tel contexte, l'objectif de ce travail de thèse est de comprendre et de quantifier les interactions H avec des défauts comme postes vacants, les luxations et les fissures dans les métaux cfc par la modélisation multi-échelle. L'étude est organisé en quatre parties principales. Dans la première partie, nous avons utilisé des premiers calculs principe (basée sur la théorie fonctionnelle de la densité) pour décrire H interaction avec une vacance de Nickel. Plus précisément, les énergies de ségrégation de plusieurs atomes d'hydrogène en un seul et di-postes vacants ont été calculés. Deux énergies caractéristiques qui ont été trouvés à clarifier les pics expérimentaux observés chez Spectra désorption thermique dans la littérature. Les concentrations de groupes H-inoccupation équilibre a ensuite été évalué, dans des conditions pertinentes à SE et de corrosion sous contrainte (CSC) des alliages à base de Ni (industrie nucléaire), par des simulations de Monte Carlo et un modèle thermodynamique développé à partir de nos données DFT. Dans la deuxième partie, nous avons quantifié l'effet de piégeage de postes vacants sur H diffusion dans Nickel. Avec DFT barrières de saut calculé, liés à H piégeage et dépiégeage dans les postes vacants, nous avons utilisé accéléré Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations pour évaluer le coefficient H de diffusion en fonction de la concentration de vacance et de la température. Dans la troisième partie, nous avons étudié la diffusion des grappes H-vacance de Ni, basée sur la combinaison de DFT et une méthode statistique. Calculs DFT de barrières de saut d'inoccupation ont été effectuées pour les clusters contenant de un à six H à l'intérieur du poste vacant. Avec ces barrières calculés et les concentrations calculées précédentes de grappes H-inoccupation, un modèle simple stochastique similaire à la procédure KMC a été développé pour estimer le coefficient de diffusion de grappes H-inoccupation en fonction de la concentration et de la température M. Dans la dernière partie, nous avons étudié l'interaction de l'hydrogène avec une pointe de fissure émoussée en aluminium par EAM combinée (potentiel interatomique semi-empirique) et calculs DFT. Méthode atome embarqué (EAM) simulations potentiels ont été réalisées pour évaluer l'effet de H sur la dislocation émission d'une pointe de fissure émoussée en mode mixte chargement. Ce phénomène peut être comprise par le changement induit H de l'empilement instable faute de l'énergie (γus) dans le modèle de Rice. Par conséquent, DFT et EAM calculs de γus ont été effectuées, y compris les effets de H et des charges en mode mixte. Il est montré que l'effet de la charge perpendiculaire au plan de glissement est très forte, contrairement à l'effet de la surface sous-H, ce qui est négligeable. ABSTRACT : In many technological applications of structured metallic alloys, hydrogen embrittlement (HE) is a major concern as it can penetrate in most metals, degrade their properties and lead to premature failures. Despite numerous efforts in the past decades during which many microscopic mechanisms were proposed, a clear understanding of H embrittlement mechanisms has not been achieved yet. Since HE processes occur on an atomic-scale, the exact mechanisms leading to HE are not easily identified experimentally. One possible improvement would be to use atomic-scale simulations to try to capture details of deformation and fracture processes at the atomic level, enabling the investigation of relevant microscopic mechanism. In such context, the goal of this PhD work is to understand and quantify H interactions with defects like vacancies, dislocations and cracks in fcc metals through multi-scale modeling. The study is organized in four main parts. In the first part, we employed first principle calculations (based on density functional theory) to describe H interaction with a vacancy in Nickel. More specifically, the segregation energies of multiple H atoms in a single and di-vacancies were computed. Two characteristic energies were found which clarify the experimental peaks observed in Thermal Desorption Spectra in the literature. The equilibrium concentrations of H-vacancy clusters was then evaluated, under conditions relevant to HE and stress corrosion cracking (SCC) of Ni based alloys (nuclear industry),by Monte Carlo simulations and a thermodynamic model developed from our DFT data. In the second part, we quantified the trapping effect of vacancies on H diffusion in Nickel. With DFT computed jump barriers, related to H trapping and detrapping in vacancies, we employed accelerated Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations to evaluate the H diffusion coefficient as a function of vacancy concentration and temperature. In the third part, we studied the diffusion of H-vacancy clusters in Ni, based on the combination of DFT and a statistical method. DFT calculations of vacancy jump barriers were performed for clusters containing from one to six H inside the vacancy. With these computed barriers and previous calculated concentrations of H-vacancy clusters, a simple stochastic model similar to the KMC procedure was developed to estimate the diffusion coefficient of H-vacancy clusters as a function of H concentration and temperature. In the last part, we studied the interaction of hydrogen with a blunted crack tip in Aluminum by combined EAM (semi-empirical interatomic potential) and DFT calculations. Embedded atom method (EAM) potential simulations were performed to evaluate the H effect on dislocation emission from a blunted crack tip under mixed mode loading. This phenomenon can be understood by the H induced change of the unstable stacking fault energy (γus ) in Rice’s model. Therefore, DFT and EAM calculations of γus were performed including the effects of H and of the mixed mode loads. It is shown that the effect of the load perpendicular to the glide plane is very strong, contrary to the effect of sub-surface H, which is negligibl