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Stratégies de conception pour des réseaux neuronaux photoniques efficaces et robustes
No full textLes réseaux de neurones photoniques (PNNs) constituent une plateforme prometteuse pour l'accélération de l'apprentissage automatique, grâce à leur potentiel de parallélisation élevée, de faible latence et d'efficacité énergétique. Cependant, leur mise en œuvre à grande échelle nécessite de relever des défis liés à l'efficacité et à la fiabilité. Cette thèse propose des stratégies de conception visant à améliorer ces deux aspects.L'efficacité des PNNs dépend non seulement de la gestion de l'énergie au niveau matériel, mais aussi de la manière dont l'information est représentée dans le réseau. Nous nous intéressons d'abord à l'optimisation de la consommation énergétique dans les maillages d'interféromètres, qui constituent les composants fondamentaux des multiplicateurs matrice-vecteur photoniques. Ces maillages consomment une quantité significative d'énergie pour contrôler les déphaseurs individuels. Nous proposons un algorithme d'optimisation ascendant qui réduit la consommation d'énergie au niveau des composants tout en analysant le compromis entre l'utilisation énergétique et la fidélité des calculs effectués.Au-delà de la gestion de l'énergie, nous étudions l'impact de l'encodage des caractéristiques sur l'efficacité. En combinant plusieurs caractéristiques dans une seule entrée optique, nous réduisons le nombre de composants nécessaires et diminuons ainsi la consommation d'énergie globale. Notre analyse montre que les stratégies d'encodage influencent non seulement l'efficacité, mais aussi la manière dont le réseau traite l'information, améliorant parfois la précision mais pouvant aussi introduire des biais qu'il convient de maîtriser lors de la conception du modèle.Enfin, nous abordons la robustesse comme un élément essentiel pour une mise en œuvre efficace des PNNs. Ces réseaux reposent sur une mémoire électronique pour stocker les configurations de phase, et des erreurs dans cette mémoire peuvent entraîner une dégradation significative de la précision, avec des baisses dépassant 70 % dans certains cas. Nous menons la première étude systématique sur la vulnérabilité des PNNs aux fautes mémoire et proposons une stratégie d'atténuation qui protège sélectivement les bits critiques. En restructurant l'apprentissage pour localiser les valeurs de phase stockées, nous améliorons la tolérance aux fautes sans augmenter la consommation de mémoire.En traitant conjointement l'optimisation énergétique, l'encodage des caractéristiques et la robustesse matérielle, ce travail contribue au développement de réseaux de neurones photoniques à la fois évolutifs et fiables.Photonic Neural Networks (PNNs) offer a promising platform for accelerating machine learning due to their potential for high parallelization, low latency, and energy efficiency. However, their large-scale implementation requires addressing challenges in efficiency and reliability. This thesis proposes design strategies to enhance both aspects.Efficiency in PNNs is influenced not only by how power is managed at the hardware level but also by how information is represented within the network. We first focus on power optimization in interferometer meshes, the core components of photonic matrix-vector multipliers. These meshes consume significant energy to control individual phase shifters. We propose a bottom-up optimization algorithm that minimizes power at the component level while analyzing the trade-off between energy use and computational fidelity.Beyond power management, we explore how feature encoding impacts efficiency. By encoding multiple features into a single optical input, we reduce the number of required components and further lower overall power consumption. Our analysis shows that encoding strategies influence not only efficiency but also how the network processes information, sometimes improving accuracy while also introducing biases that must be accounted for in model design.Finally, we examine robustness as a necessary aspect of efficient PNN deployment. These networks rely on electronic memory to store phase configurations, and faults in this memory can significantly degrade accuracy, with drops exceeding 70% in some cases. We conduct the first systematic robustness study of PNNs under memory faults and propose a mitigation strategy that selectively protects critical bits. By restructuring training to localize stored phase values, we improve fault tolerance without additional memory overhead.By addressing power efficiency, feature encoding, and hardware robustness under a unified framework, this work contributes to the development of scalable and reliable photonic neural networks
Rotoscoping or Traced Cinema : imaginaries of Realism in Animation
No full textLa rotoscopie est une technique d’animation qui consiste à décalquer le contenu visuel d’une séquence de prises de vues réelles, qu’il s’agisse des personnages et/ou des décors, notamment en vue de prêter aux figures dessinées un mouvement semblable à celui des figures filmées. Développée à partir de l’appareil breveté par Max Fleischer aux États-Unis en 1915, le Rotoscope, elle est utilisée jusqu’à aujourd’hui par de nombreux animateurs dans différents studios comme au cœur de pratiques plus artisanales et individuelles. Si elle traverse une part importante de l’histoire des images animées, son usage est souvent mal perçu par ses commentateurs, qui la décrivent généralement comme une technique « réaliste » consistant à « copier » le cinéma ou la réalité. Cette équivocité ne va cependant pas de soi et renvoie en fait, d’un contexte à l’autre, à diverses manières de penser les images retracées, dessinées et filmiques, mais aussi à diverses manières de penser le réalisme. Alors que la rotoscopie a été mise de côté des préoccupations historiques, esthétiques et théoriques liées au cinéma d’animation, cette thèse propose d’en retracer l’histoire, de ses origines à nos jours, pour tenter de comprendre son lien étroit au réalisme dans l’imaginaire collectif. On verra ainsi que retracer répond d’abord à la volonté d’imiter ces images produites par le cinéma en prises de vues réelles, et qu’en raison de l’instabilité de la notion de réalisme, la rotoscopie en vient aussi à pointer l’instabilité du fait cinématographique lui-même. Par conséquent, et d’autant plus dans le contexte actuel d’une remise en question des valeurs associées aux images à l’ère du numérique, ce renversement amène à interroger cette instabilité comme l’expression d’un rapport à la réalité lui-même en crise. Les usages de la rotoscopie renvoient donc plus exactement à différents imaginaires du réalisme, que nous proposons ici d’interroger à partir d’une analyse notamment discursive.Rotoscoping is an animation technique that consists in tracing the visual content of a live-action sequence, whether of characters and/or sets, in order to lend the drawn figures a movement similar to that of the filmed figures. Developed from the device patented by Max Fleischer in the USA in 1915, the Rotoscope, it is still used today by many animators in different studios, as well as in more handmade, individual practices. Although it spans a significant part of the history of animated images, its use is often misunderstood by its commentators, who generally describe it as a “realistic” technique that “copies” cinema or reality. This ambiguity is not, however, self-evident and in fact refers, from one context to another, to different ways of thinking about traced, drawn and filmed images, but also to different ways of thinking about realism. While rotoscoping has been sidelined from historical, aesthetic and theoretical discussions related to animated cinema, and has consequently never been the subject of in-depth study, this thesis proposes to retrace its history, from its origins to the present day, in an attempt to understand its close link to realism in the collective imaginary
Hybrid superconductor-semiconductor quantum devices on Ge/SiGe heterostructures
No full textDans cette thèse, je présente les travaux réalisés sur différents types de dispositifs,chacun d’entre eux nous permettant de comprendre des propriétés fondamentalessur la qualité du matériau de l’hétérostructure Ge/SiGe elle-même oucertaines physiques liées à l’interaction entre la géométrie du dispositif, les propriétésdu semi-conducteur et la supraconductivité. J’ai conçu, fabriqué et mesurédes dispositifs tels que des barres de Hall, des transistors à effet de champ àjonction Josephson (JOFETS), des transmons supraconducteurs accordables parla porte (gatemon) et des contacts à point quantique (QPC) à proximité d’unsuper/semi-contact.Les résultats initiaux sur les barres de Hall et les JOFETS guident la conceptionde dispositifs plus avancés tels que le qubit supraconducteur gatemon oul’utilisation des QPC pour sonder la nature de l’effet de proximité supraconducteurdans le Ge. Dans l’ensemble, ce travail présente une étude de notre systèmematériel de contacts en aluminium avec des puits quantiques en Ge dansdes hétérostructures SiGe, spécifiquement dans le contexte de dispositifs hybridessupraconducteurs et semi-conducteurs, en utilisant la stratégie actuelle de fabricationde dispositifs et de contacts. Des comparaisons avec d’autres matériauxsont effectuées dans la mesure du possible afin de replacer ces résultats dans leurcontexte.In this thesis, I present work made on several different types of devices each ofwhich permit us to understand fundamental properties about the material qualityof the Ge/SiGe heterostructure itself or some physics related to the inter-play ofdevice geometry, semiconductor properties and superconductivity. I have designed,fabricated, and measured devices such as Hall-bars, Josephson junction field effecttransistors (JOFETS), gate-tunable superconducting transmons (gatemon), andquantum-point contacts (QPC) in proximity to a super/semi contact.Initial results on Hall-bars and JOFETS guide the design of more advanceddevices such as the gatemon superconducting qubit or in using QPCs to probe thenature of the superconducting proximity effect in Ge. Overall, this work presentsa study of our material system of aluminium contacts to Ge quantum wells inSiGe heterostructures specifically in the context of superconductor semiconductorhybrid devices using the current strategy of fabricating devices and contacts here.Comparisons with other materials are made where possible to put these results incontext
Utilisation d'approches unicellulaires pour caractériser les interactions in vivo entre Plasmodium vivax et la moelle osseuse de l'hôte
No full textRécemment, la moelle osseuse (MO) a été reconnue comme un important réservoir extravasculaire pour les parasites du genre Plasmodium. Cependant, son inaccessibilité limite l'analyse directe de ce compartiment chez les patients infectés. Afin d'étudier l'effet de l'infection par Plasmodium vivax sur la MO de l'hôte, nous avons utilisé le modèle HIS-HEry, qui permet à la fois l'hématopoïèse humaine et l'infection par P. vivax. Dans ce travail, nous présentons les premiers jeux de données de séquençage de l'ARN à cellule unique (single-cell RNA sequencing) de moelle osseuse humaine après infection par P. vivax, englobant à la fois les compartiments érythroïdes et lymphoïdes. Nos résultats révèlent un rôle précoce des monocytes dans la réponse immunitaire innée à l'infection par P. vivax, caractérisé par une transition d'un phénotype inflammatoire vers un phénotype anti-inflammatoire. Nous avons ensuite observé l'émergence de cellules T régulatrices CD4+ activées, ainsi qu'une diminution de la fonctionnalité des cellules T CD8+ onze jours après l'infection. À ce stade plus avancé, l'augmentation des populations de monocytes s'accompagne d'une réduction des cellules B en développement. Dans les cellules érythroïdes, l'infection par P. vivax induit une réponse inflammatoire précoce, mise en évidence par une signature caractéristique de la réponse de type I à l'interféron (IFN) et par la régulation négative de gènes de l'hémoglobine une semaine après l'infection. Dans l'ensemble, ces résultats soulignent la complexité des dynamiques entre les facteurs de l'hôte et du parasite dans la modulation des réponses immunitaires au niveau de la moelle osseuse, tout en permettant le maintien de P. vivax dans ce réservoir.Recently, the bone marrow (BM) has been recognised as an important extravascular reservoir for Plasmodium parasites. However, its inaccessibility limits direct analysis of this niche in infected patients. To investigate the effect of P. vivax infection on the host BM we made use of the HIS-HEry model, which supports both human haematopoiesis and P. vivax infection. With this thesis, we present the first single-cell RNA sequencing datasets of human BM after P. vivax infection, encompassing both erythroid and lymphoid compartments. Our findings show an early role for monocytes in the innate immune response towards P. vivax infection, with a transition from an inflammatory to an anti-inflammatory phenotype. We observed subsequently the emergence of activated regulatory CD4+ T cells and a decline in CD8+ T cell functionality eleven days post infection. At this later timepoint, an increase in monocyte populations is accompanied by a reduction in developing B cells. In the erythroid cells, P. vivax infection induces an early inflammatory response, as demonstrated by a clear type I interferon (IFN) response signature and the downregulation of key erythroid genes one week post-infection. Altogether, these results emphasize the complex dynamics between host and parasite factors in modulating BM immune responses, while maintaining P. vivax in this reservoir
Objective acoustic and volumetric measurements to quantify lung congestion in secretive respiratory pathologie patients as part of their CPT.
No full textLes pathologies respiratoires chroniques obstructives, telles que la Broncho-Pneumopathie Chronique Obstructive (BPCO), représentent un enjeu de santé publique majeur. Des séances de kinésithérapie respiratoire de désencombrement (KRD) sont prescrites aux patients afin de limiter les exacerbations liées à l'encombrement bronchique, mais une consolidation scientifique des pratiques professionnelles est nécessaire. Ces travaux de thèse proposent de développer et de valider un dispositif de mesure non invasif nommé Sybille, afin de mesurer simultanément les sons respiratoires et les déplacements thoraciques dans le but d'évaluer l'encombrement bronchique. Une étude clinique a été réalisée sur 30 sujets atteints de BPCO et 30 sujets témoins afin de collecter des données dans l'objectif d'élaborer deux scores d'encombrement, l'un basé sur des indicateurs cliniques et l'autre sur des mesures obtenues grâce au dispositif Sybille. L'objectivation de l'encombrement bronchique devrait permettre, à plus long terme, de mieux comprendre le comportement du mucus dans l'arbre trachéo-bronchique ainsi que les techniques de KRD, afin d'améliorer la prise en charge des patients.Chronic obstructive respiratory diseases, such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), pose a significant public health challenge. Chest PhysioTherapy (CPT) sessions are prescribed to patients to reduce exacerbations related to bronchial congestion, but scientific consolidation of professional practices is necessary. The aim of this thesis work is to develop and test a non-invasive measurement device named Sybille, which simultaneously measures respiratory sounds and thoracic displacements to assess bronchial congestion. A clinical study was carried out, on 30 subjects with COPD and 30 control subjects to collect data with the aim of developping two congestion scores, one based on clinical indicators and the other on measurements obtained using the Sybille device. The objectification of bronchial congestion should, in the long term, provide a better understanding of mucus behavior in the tracheobronchial tree, as well as of respiratory clearance techniques, ultimately improving patient care
Monotone couplings and block decompositions of random trees and planar maps
No full textCette thèse porte sur trois thèmes de géométrie aléatoire relativement indépendants, qui se rejoignent dans le dernier chapitre. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la construction de couplages monotones pour certains modèles d’arbres aléatoires, dans la continuité de travaux de Luczak et Winkler (2004), que nous généralisons. Nous montrons notamment que les arbres simplement générés à n sommets peuvent être couplés de manière croissante en n, sous une hypothèse de log-concavité. Ce résultat est ensuite appliqué pour construire des couplages croissants dans un modèle général de sous-arbres d’un arbre régulier pondéré. Dans un second temps, nous menons une étude détaillée d’un modèle de cartes aléatoires pondérées en fonction de leur nombre de « blocs », ces derniers étant des sous-cartes délimitées par des éléments séparants. Ce modèle dépend d’un paramètre réel positif, dont une valeur critique marque une transition de phase, entre une phase sphérique dans laquelle la limite d’échelle est la sphère brownienne, et une phase arborescente où c’est l’arbre continu brownien qui apparaît. À la valeur critique du paramètre, on retrouve une phase arborescente mais la limite d’échelle — un arbre de Lévy stable d’exposant 3/2 — correspond à une autre classe d’universalité. Dans un troisième temps, nous prouvons un « théorème des gendarmes » et un « théorème taubérien », applicables à des suites d’espaces métriques mesurés compacts, dont la convergence est entendue au sens de Gromov–Hausdorff–Prokhorov. Ces résultats reposent sur l’étude d’une relation d’ordre entre ces espaces, qui généralise l’ordre Lipschitz de Gromov (et son extension dans un travail non publié de Grieshammer et Rippl). Enfin, dans un dernier chapitre, nous développons une approche nouvelle pour établir la limite d’échelle de modèles de cartes aléatoires avec contrainte topologique. Celle-ci mobilise les différents thèmes abordés au cours de la thèse (couplages croissants, décompositions en blocs, théorèmes taubériens), et nous permet de démontrer la convergence vers la sphère brownienne des quadrangulations aléatoires irréductibles de la sphère. La robustesse de certains arguments laisse penser que notre approche devrait pouvoir s’étendre à d’autres situations.This dissertation focuses on three relatively independent themes in random geometry, which come together in the concluding chapter. First, we study the construction of monotone couplings for certain models of random trees, following up on work of Luczak and Winkler (2004), whose results we generalize. In particular, we show that simply generated trees with n vertices can be coupled in a way that is increasing in n, under a log-concavity assumption. This result is then applied to construct increasing couplings in a general model of subtrees of a weighted regular tree. Second, we conduct a detailed study of a model of random maps weighted according to their number of “blocks”, which are submaps delimited by separating elements. This model is governed by a positive real parameter, with a critical value at which a phase transition occurs, between a spherical phase where the scaling limit is the Brownian sphere, and a tree-like phase where the Brownian continuum random tree emerges instead. At the critical value of the parameter, we also observe a tree-like phase but the scaling limit—a stable Lévy tree with index 3/2—corresponds to a different universality class. Third, we prove a “sandwich theorem” and a “Tauberian theorem”, applicable to sequences of compact measured metric spaces, whose convergence is understood in the Gromov–Hausdorff–Prokhorov sense. These results rely on the study of an order relation between these spaces, which generalizes Gromov’s Lipschitz order (and its extension in unpublished work by Grieshammer and Rippl). Finally, in the concluding chapter, we develop a novel approach to establishing the scaling limit of random map models with topological constraints. Building on the various themes addressed in this thesis (increasing couplings, block decompositions, Tauberian theorems), it allows us to prove the convergence of irreducible random quadrangulations of the sphere to the Brownian sphere. The robustness of some of the arguments suggests that our approach should be applicable to other settings as well
Clustering de données mixtes temporelles pour la modélisation d’enquêtes longitudinales
No full textDans le domaine des sciences sociales, des sciences humaines et de la recherche médicale, les enquêtes longitudinales sont essentielles pour comprendre les dynamiques temporelles et les schémas comportementaux au sein des populations. Ces enquêtes collectent souvent des données de types mixtes (comprenant des réponses nominales, ordinales, quantitatives et textuelles) qui posent des défis significatifs pour l'analyse statistique. L'analyse de telles données mixtes est un problème de recherche actuel dans les domaines de la statistique et de l'apprentissage automatique. Par ignorance ou manque de solutions existantes adaptées à leurs cas, les praticiens tendent souvent à transformer les données (notamment les données ordinales catégorielles et les comptages) pour les traiter comme des données continues, car elles sont plus faciles à manipuler. Cette approche n'est pas satisfaisante car elle conduit soit à l'introduction d'un biais, soit à une perte importante d'information. De plus, il est souvent demandé aux participants de remplir ces questionnaires plusieurs fois au cours d'une période d'étude. Ces données sont scientifiquement connues sous le nom de données ``longitudinales''. Les chercheurs analysent ensuite ces questionnaires, s'intéressant particulièrement à l'évolution temporelle des comportements communs. Cependant, modéliser l'évolution temporelle est loin d'être trivial. L'approche la plus basique consiste à effectuer des analyses indépendamment à chaque phase temporelle, puis à essayer extit{a posteriori} de trouver des liens entre ces différentes analyses, en cherchant d'une phase à l'autre des comportements typiques similaires ou différents.Le contexte scientifique de ce travail est ancré dans le besoin croissant de méthodes statistiques pour analyser des ensembles de données complexes et évolutives dans le temps. Plus précisément, les chercheurs s'intéressent souvent à la recherche de ``schémas typiques'', c'est-à-dire à la découverte de groupes d'unités présentant des comportements similaires. Cela s'appelle le ``clustering''. Les méthodes existantes échouent soit à capturer les relations complexes entre les variables et l'évolution temporelle des clusters, conduisant à des résultats sous-optimaux, soit produisent des résultats difficiles à interpréter par des non-statisticiens. Les contributions de cette thèse sont multiples. Tout d'abord, elle fournit une revue des cadres existants pour le clustering de données longitudinales, de types mixtes et longitudinales de types mixtes. Ensuite, nous abordons progressivement le problème en commençant par les données ordinales longitudinales, pour finalement présenter le modèle Mixture of Mixed-Matrices (MMM) : en réorganisant les données dans une structure tridimensionnelle et en supposant que les variables non continues sont des observations de variables latentes continues sous-jacentes, le modèle repose sur un mélange de distributions normales matricielles pour effectuer le clustering dans la dimension latente. Le modèle MMM est ainsi capable de gérer les données continues, ordinales, binaires, nominales et de comptage et de modéliser simultanément l'hétérogénéité, l'association entre les réponses et la structure de dépendance temporelle de manière parcimonieuse et sans supposer l'indépendance conditionnelle. Enfin, nous proposons quelques directions futures pour surmonter les limites de notre modèle proposé.In the realm of social sciences, humanities, and medical research, longitudinal surveys are pivotal for understanding temporal dynamics and behavioural patterns within populations. These surveys often collect mixed-type data—comprising nominal, ordinal, quantitative, and textual responses—which pose significant challenges for statistical analysis.The analysis of such mixed data is a current research problem in the fields of statistics and machine learning, and for ignorance or deficit of existing solutions adapted to their cases, practitioners often tend to transform the data (particularly categorical ordinal and count ones) in order to treat them as one continuous, since they are easier to handle. Such approach is not satisfying since it leads either to the introduction of a bias or to an important information loss. Moreover, it is often the case for these questionnaires to be completed by participants several times over a study period. These data are scientifically known as "longitudinal" data. Researchers then analyse these questionnaires, being especially interested in time evolution of common behaviours. Nonetheless, modelling temporal evolution is far from trivial. The most basic approach consists in performing analyses independently at each temporal phase, and then trying a posteriori to find links between these different analyses, by seeking from one phase to the other to find similar or different typical behaviours.The scientific context of this work is rooted in the growing need for statistical methods to analyse complex, temporally evolving datasets.Specifically, it is often the case for researchers to be interested in finding "typical" patterns, that is to find group of units exposing similar behaviour. This is called "clustering". Existing methods either fail to capture the intricate relationships between variables and the temporal evolution of clusters, leading to suboptimal results or produce results that are difficult to interpret by non-statisticians.The contributions of this thesis are multifaceted. Firstly, it provides a survey over the existing frameworks for clustering longitudinal, mixed-type and longitudinal mixed-type data. Then, we gradually approach the problem by starting with longitudinal ordinal data, to finally present the Mixture of Mixed-Matrices (MMM) model: reorganizing the data in a three-way structure and assuming that the non-continuous variables are observations of underlying latent continuous variables, the model relies on a mixture of matrix-variate normal distributions to perform clustering in the latent dimension. The MMM model is thus able to handle continuous, ordinal, binary, nominal and count data and to concurrently model the heterogeneity, the association among the responses and the temporal dependence structure in a parsimonious way and without assuming conditional independence. We finally propose some future directions to overcome the limits of our proposed model
Investigation de l'Energie des Bio Piles et leur Utilisation pour l'Alimentation des Appareils Faible Puissance
No full textLa production d'énergie à partir de biodéchets a été à la tête de la recherche, compte tenu à la fois de son potentiel de contribution au processus de décarbonisation et de sa nature renouvelable. Cependant, les techniques utilisées restent complexes et non portables, ce qui ralentit l'adoption de la production de bioénergie. La pile à combustible microbienne (PACM) ou biopile est une technologie qui génère de l'énergie électrique directement à partir de déchets biodégradables. Cette technologie utilise le principe des cellules électriques conventionnelles. Les micro-organismes présents dans la chambre anodique décomposent les déchets et génèrent des électrons et des protons. Les électrons se fixent à l'électrode d'anode pour former un biofilm, tandis que les protons traversent la membrane pour rejoindre le compartiment cathodique où un oxydant et l'électrode cathodique sont présents. Une fois qu'un fil conducteur relie les deux électrodes ensemble, les électrons commencent à circuler pour rejoindre les protons présents dans la chambre cathodique, et ce mouvement des porteurs de charge génère de l'électricité. Cette méthode de production d'électricité attire de plus en plus les chercheurs, et les efforts déployés avec cette technologie restent principalement limités à l'échelle du laboratoire, restreignant ainsi son intérêt et son utilisation pour la génération d'énergie électrique. Il est important de trouver des moyens d'augmenter la production d'énergie de la PACM afin de couvrir des applications telles que l'alimentation d'appareils à faible puissance, comme ceux généralement utilisés dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), et l'éclairage dans les zones reculées des pays en développement où les communautés locales n'ont pas accès à l'électricité conventionnelle. L'objectif principal de ce projet de recherche est de proposer un système de production d'énergie de PACM performant, économique et stable, avec un processus de fabrication simple. Ce travail se concentre d'abord sur l'étude du potentiel des excréments (animaux et humains) pour produire de l'électricité grâce à la technologie des piles à combustible microbiennes, tout en tenant compte des facteurs influençant le rendement de production des PACMs afin d'améliorer la production et d'obtenir des résultats optimaux. Deux types de déchets sont spécifiquement choisis à cet effet : la bouse de vache et les excréments humains. Les réacteurs (cuves utilisées pour réaliser des réactions chimiques) sont imprimés en 3D à l'aide de matériau en acide polylactique (PLA) pour garantir la similitude, l'étanchéité et la reproductibilité des résultats. Après diverses caractérisations, la bouse de vache a montré un meilleur potentiel de production d'électricité à travers la technologie des PACMs par rapport aux excréments humains. Pour augmenter l'énergie produite par les PACMs, des configurations en « stack » sont expérimentées avec de la bouse de vache. L'étude examine différentes configurations (série, parallèle, série-parallèle, parallèle-série) pour minimiser l'inversion de tension, source de pertes d'efficacité. Les résultats indiquent que la configuration parallèle-série réduit les pertes et augmente la puissance totale, ce qui la rend adaptée aux PACMs à petite échelle, tout en évitant l'utilisation de circuits de protection contre le retour de tension. Pour réduire les coûts d'implémentation et favoriser la production locale des PACMs, des réacteurs en béton sont utilisés. Ces réacteurs ont montré leur faisabilité avec une densité de puissance maximale de 20,21 mW/m², surpassant les 14,1 mW/m² des réacteurs imprimés en 3D de la première expérience. De plus, la fabrication d'un réacteur à béton à double chambre est 5,17 fois moins coûteuse que celle d'un réacteur à chambre unique en plastique PLA.Generating energy from biowaste has been at the helm of research given both its potential to aid in the decarbonization process and its renewable nature. However, the techniques used remain complex and non-portable, slowing down the adoption of bioenergy generation. Microbial fuel cell (MFC) is a technology that generates electrical energy directly from biodegradable waste. This technology utilizes the principle of conventional electrical cells. The microorganisms present in the anodic chamber break down the waste and generate electrons and protons. The electrons attach to the anode electrode to form a biofilm, while the protons pass through the membrane to join the cathodic compartment where an oxidant and the cathode electrode are present. Once a conductive wire connects the two electrodes together, the electrons begin to flow to join the protons present in the cathodic chamber, and this movement of charge carriers generates electricity. This method of electricity production is increasingly attracting researchers, and efforts made with the technology are still primarily limited to the laboratory scale, restricting its interest and utilization for electrical power generation. It is important to find ways of increasing the electrical power production of MFC in order to cover applications such as supplying low-power devices like those usually used in Wireless Sensor Networks (WSN), and lighting in remote areas of developing countries where local communities don’t have access to conventional electricity. The main objective of this research project is to propose a high-performance, cost-effective, and stable MFC energy production system with a simple manufacturing process. This work first focuses on the investigation into the potential of excreta (animal and human) to produce electricity through microbial fuel cell technology, while considering the factors influencing the production yield of MFC in order to improve the production and achieve optimal results. Two types of waste are specifically chosen for this purpose: cow dung and human faeces. The reactors (vessels used to carry out chemical reactions) are 3D printed using polylactic acid (PLA) material to ensure similarity, sealing, and reproducibility of results. After various characterizations, cow dung showed a better potential for electricity production through microbial fuel cell technology compared to human faeces. To afford the required energy, MFCs are put in a stack; cow dung is chosen and used for experimentation to investigate different configurations such as series, parallel, series-parallel combination, and parallel-series. The conduct of these investigations will highlight the configuration that can minimize voltage reversal, which is responsible for losses that drop down the production efficiency of MFCs when stacked together. The results show that the parallel-series combination limits losses in the stack assembly while increasing the total power of the system. This configuration can be used for small-scale MFCs to minimize losses and circumvent the use of protection circuits designed to prevent voltage return in MFC systems. To limit the costs associated with the implementation of MFCs and encourage local large-scale production of stacks, the use of concrete is investigated for the fabrication of MFC reactors. With those concrete-based reactors, in addition to demonstrating their feasibility, we achieved a maximum power density of 20.21 mW/m², which is higher than the 14.1 mW/m² obtained with the 3D-printed reactors from the first experiment. Furthermore, the production of a dual-chamber concrete-based reactor here is 5.17 times less expensive than that of the 3D-printed single chamber made with PLA plastic filament
Entraînement d'air par jets plongeants et trains de gouttes
No full textL’entraînement d’air par un jet liquide sous forme de bulles est un phénomène bien connu. Ce processus omniprésent et complexe facilite le transfert d'oxygène et d'autres gaz lorsqu'une vague déferlante plonge dans l'océan, ce qui est essentiel au maintien de la vie aquatique. Dans l'industrie, l'entraînement d'air est essentiel pour des applications telles que la fermentation et la dégradation des polluants organiques. À l'échelle du laboratoire, nous abordons le phénomène d'entraînement d'air en étudiant comment un jet d'eau pénètre dans un réservoir d'eau de hauteur constante. L'impact entraîne l'air dans le liquide en générant un jet conique de bulles. La profondeur du nuage de bulles est un paramètre clé, car elle contrôle le volume du nuage et donc l'efficacité du mélange gazeux, par exemple dans les applications de génie des procédés. Dans notre étude, nous analysons d'abord le nuage de bulles formé par un jet plongeant isolé. Nous montrons qu'en augmentant le diamètre du jet ou la hauteur de chute, la profondeur du nuage diminue pour une même quantité de mouvement du jet à l’impact. En mesurant le taux de vide dans le nuage à l'aide de sondes optiques à détection de phase, nous montrons que la diminution de la profondeur est liée à l'augmentation du taux de vide dans le nuage. En utilisant un bilan de quantité de mouvement prenant en compte l'inertie et la flottabilité du nuage lui-même, nous prédisons avec précision la profondeur du nuage de bulles. Nous avons ensuite étudié ce qui se passe lorsque deux ou trois jets tombent à proximité les uns des autres, une situation qui peut représenter ce qui se passe au sein d'un jet de grande taille fragmenté. Nous avons observé que ces nuages de bulles individuels fusionnent en un unique nuage de bulles, avec une légère augmentation de la profondeur du nuage. Pour étudier ce phénomène à plus grande échelle, nous avons disposé plusieurs jets selon un motif hexagonal. Ces jets créent sous la surface une structure inversée en forme de dôme. Nous expliquons cette structure ainsi que la formation des bulles. Nos observations ont révélé que l'ajout de jets ne piège pas nécessairement plus d'air, mais que la quantité d'air entraînée est directement proportionnelle au diamètre de la configuration multi-jets. Des visualisations par caméra rapide ont montré que les bulles coalescent en interagissant dans le nuage. En utilisant un bilan de quantité de mouvement, nous prédisons la taille de ces nuages et l'augmentation de la profondeur du nuage avec le nombre de jets. Enfin, nous avons étudié l'impact d'un train de gouttelettes tombant sur un réservoir d'eau. Dans ce cas, un taux de vide très élevé de l'ordre de 70% a été observé sous l'impact. La création de cette région très aérée est due à la formation répétitive et à l'effondrement de la cavité d'air entraînée par chaque goutte. En ajustant notre modèle mathématique précédent pour prendre en compte la fréquence d'impact des gouttelettes sur la surface, nous avons constaté que nous pouvions également prédire avec précision la profondeur de ces nuages de bulles.Transportation of air into the liquid phase in the form of bubbles is a widely known phenomenon. This ubiquitous and complex process facilitates the transfer of oxygen and other gases when a breaking wave plunges into the ocean, essential for sustaining aquatic life. In industries, air entrainment is essential for applications such as fermentation and the degradation of organic pollutants. At the fundamental level, the air-entrainment mechanism can be examined by considering a simple case of a plunging jet impacting the surface of a pool. This impact generates a bubble-laden jet flow underneath the surface, namely a bubble cloud. The height of this cloud, termed the bubble cloud depth, is critical, as it directly influences factors such as the volume of the two-phase region and the gas mixing efficiency in various chemical processes. Our study begins with experimental investigations of bubble clouds formed by single circular plunging jets. We demonstrate that, at a constant impact momentum of the jet, increasing either the impact diameter or the jet fall height-to-diameter ratio reduces the bubble cloud depth. Systematic measurements of the local void fraction using phase detection probes confirm that this reduction is directly related to an increased air content within the cloud. A simple momentum balance model, incorporating only inertia and buoyancy forces, accurately predicts the bubble cloud depth without requiring any fitting parameters. Additionally, we introduce a Froude number—based on bubble terminal velocity, cloud depth, and net void fraction to delineate the threshold between inertia-dominated and buoyancy-dominated bubble clouds. We examined the bubble clouds generated by closely spaced twin and triple identical jets to simulate air entrainment by fragmented plunging jets. In these cases, individual bubble clouds overlap and merge after reaching a certain pre-interaction depth, forming a unified structure analogous to that of a single plunging jet but slightly larger for a constant impact momentum. We then perform experiments with even closely packed multiple identical jets (N) in a hexagonal arrangement to mimic large fragmented jets. Just below the interface, an inverted dome structure is formed, surrounded by air fingers, which generates a single bubble cloud without revealing any pre-interaction depth. We describe this structure and the mechanism by which bubbles are shed from it. It is found that the net air flux does not scale with the number of jets but is proportional to the diameter of the multi-jet configuration. In all cases, the mean bubble size in a bubble cloud increases with depth, which may be primarily driven by the coalescence of bubbles as suggested by high-speed visualisation and Weber number analysis. The cloud depth increases with the number of jets. It was observed that for a given impact velocity V_i, an increase in N leads to a slower reduction in the mean bubble speed along the cloud axis. Including the momentum of each impacting jets in the momentum flux balance, and buoyancy effects, provides a good estimate of both the bubble cloud depth and the centreline velocity. Following these studies, we investigated the bubble clouds formed by a droplet train impacting the surface. In this scenario, an unusually high void fraction up to 70% was observed, which decreases with the depth. The creation of the foamy region is associated with repetitive formation and collapse of the air cavity entrained by droplets. By adjusting the impact momentum to account for droplet frequency, we showed that the momentum balance accurately predicts the cloud depth in this scenario as well
Predictive maintenance of a mechanical reducer by a combined thermal and electrical approach
No full textDans le contexte industriel actuel, la fiabilité et la performance des équipements sont des préoccupations majeures. Les transmissions à engrenages sont des éléments essentiels des systèmes mécaniques et sont pour nombre d'applications industrielles - associées à un moteur électrique. Ces motoréducteurs sont soumis à des contraintes opérationnelles de plus en plus importantes, et leur défaillance peut entraîner des conséquences graves, tant en termes de sécurité que de coûts de maintenance. La maintenance prédictive émerge alors comme une stratégie essentielle afin de garantir leur bon fonctionnement en identifiant les signes avant-coureurs de défaillance et en planifiant de manière optimale les interventions de maintenance. L'objectif de cette étude est d'étudier le potentiel des approches thermique et électrique pour la maintenance prédictive d'un réducteur à engrenages. Afin de répondre au besoin industriel ces travaux proposent une approche permettant de détecter et localiser des défauts en temps réel en utilisant un nombre limité de capteurs non intrusifs. Un banc d'essai a été développé à partir d'un treuil de l'entreprise REEL International pour étudier le comportement thermique d'un réducteur à quatre étages. Cette étude présente, dans un premier temps, une méthode pour créer un jumeau numérique thermique du réducteur. Un modèle hybride analytique-expérimental est proposé. Sa structure est basée sur l'approche des réseaux thermiques². Une procédure expérimentale est utilisée pour déterminer certains paramètres critiques du modèle, tel que le coefficient de frottement des dentures. Dans un second temps, la capacité de ce jumeau numérique thermique à réaliser la maintenance prédictive du réducteur est étudiée via l'introduction d'un défaut d'hélice et d'un défaut d'écaillage sur un des pignons. Dans un troisième temps, une étude du module du vecteur de Park des courants statoriques du moteur pour la détection des défauts est présentée en complément de l'approche thermique. Il résulte de cette étude que le jumeau numérique thermique est capable de prédire précisément le comportement thermique des composants du réducteur (roulements, carter, huile) en utilisant seulement quelques capteurs thermiques. Celui-ci permet la détection et la localisation d'un défaut géométrique à l'engrènement. L'étude du module de Park démontre quant à elle la pertinence de certains indicateurs ainsi que celle de combiner les deux approches pour la surveillance de la transmission.In the current industrial context, the reliability and performance of equipment are major concerns. Gear transmissions are essential components of mechanical systems and are often associated with an electric motor for many industrial applications. These gearmotors are subjected to increasingly significant operational stresses, and their failure can lead to serious consequences in terms of both safety and maintenance costs. Predictive maintenance thus emerges as a crucial strategy to ensure their proper functioning by identifying early signs of failure and optimally planning maintenance interventions. The aim of this study is to explore the potential of thermal and electrical approaches for the predictive maintenance of a gear reducer. To address industrial needs, this work proposes a method for detecting and locating faults in real-time using a limited number of non-intrusive sensors.A test bench has been developed based on a winch from REEL International to study the thermal behavior of a four-stage reducer. This study first presents a method for creating a thermal digital twin of the reducer. A hybrid analytical-experimental model is proposed, based on the thermal network approach. An experimental procedure is used to determine certain critical parameters of the model, such as the friction coefficient of the gear teeth. In the second part, the ability of this thermal digital twin to perform predictive maintenance of the reducer is examined by introducing a helical fault and a spalling fault on one of the gears. In the third part, a study of the Park vector modulus of the stator currents of the motor for fault detection is presented, complementing the thermal approach. The results of this study show that the thermal digital twin is capable of accurately predicting the thermal behavior of the reducer's components (bearings, casing, oil) using only a few thermal sensors. It allows for the detection and localization of a geometric fault at the meshing. The study of the Park modulus demonstrates the relevance of certain indicators as well as the benefit of combining both approaches for monitoring the transmission