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    Développement d’une plateforme d’imagerie pour la caractérisation du transfert de masse dans les microsystèmes : application aux piles à combustible microfluidiques

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    Fuel cells are devices that convert the energy stored in an oxidant and a reductant into electricity through electrochemical reactions. The most mature technology for this conversion is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), but other alternative systems are emerging. In particular, microfluidic fuel cells (MFCs) have overcome the problems associated with the use of a membrane and gas storage by using liquid reagents at ambient temperature and pressure. The dimensions of the channel (1-5 mm wide and 20-100 µm high) allow co-laminar flow of the two liquid reagents and the electrolyte in a microchannel containing the electrodes. Therefore, PCMs do not need membrane to separate reactants and performances are driven by charge and mass transport.Experimental characterization of all the physical phenomena involved in PCMs is difficult because actuals methods are more based on electrochemical characterisation. These methods provide an overall characterisation of the system but they do not give precise information on the mass transport phenomena occurring in the channel. To investigate concentration field, numerical modelling is generally used. Numerical methods evaluate the impact of the geometry or the operating conditions on MFC performances. However, the use of these models relies on the knowledge of in-situ parameters such as the diffusion coefficient D and the reaction rate k0. In numerical studies, these parameters are generally approximated leading to a qualitative understanding of the transport phenomena. Furthermore, these numerical studies have not yet been verified by experimental studies.Thus, the main scientific challenge of this thesis is to develop quantitative imaging methods for characterising the concentration field in an operating PCM.To meet this need, an imaging platform based on spectroscopy and three characterisation methods were developed in this thesis. First of all, the work focused on developing an experimental setup based on spectroscopy to study the interdiffusion phenomenon. This study reports the estimation of the diffusion coefficient of potassium permanganate in formic acid. These solutions were specifically chosen because they are used in the PCM developed for the rest of the study.The imaging plateform was then adapted to study the in operando MFC 2D concentration field in steady-state. An analytical mass transfer model (advection/reaction/diffusion) coupled to the 2D concentration field was used to determine the reaction rate. As the concentration variations involved can be very small (few micro-moles), another characterisation technique was implemented to reduce the measurement noise.To improve the signal-to-noise ratio, a method based on modulation of the concentration field was developed. Demodulation of the signal significantly reduced the noise and concentrations of 20 µM were estimated. An analytical model describing the modulated field was established in order to implement an inverse method. The proposed method made it possible to recover the reaction rate associated with the concentration variation.To conclude, the proposed characterisation methods enable the estimation of the mass transfer and the reaction kinetics using the 2D concentration field from an in operando MFC. This technique has been applied to the MFC, but it can be transferred to a micrometric system in which diffusion-advection-reaction phenomena take place.Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l'énergie stockée dans un oxydant et un réducteur en électricité grâce à des réactions électrochimiques. La technologie la plus mature pour réaliser cette conversion est la pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais d'autres systèmes alternatifs émergent. En particulier, les piles à combustible microfluidiques (PCM) ont permis de s’affranchir des problématiques liées à l’utilisation d’une membrane et du stockage gazeux grâce à l’utilisation de réactifs liquides à température et pression ambiante. Les dimensions du canal (1-5 mm de large et 20-100 µm de haut) permettent un écoulement co-laminaire des deux réactifs et de l’électrolyte liquides dans un micro-canal contenant les électrodes. Les PCMs n'ont donc pas de membrane et leurs performances sont dirigées par le transport de charges et de masse.À ce jour, il est difficile de caractériser expérimentalement tous les phénomènes physiques qui ont lieu dans la PCM car les méthodes existantes sont plutôt basées sur la caractérisation électrochimique. Ces méthodes permettent d'avoir une caractérisation globale du système mais ne fournissent pas d'informations précises sur les phénomènes de transport de masse dans le canal. Pour étudier le transport de masse, la modélisation numérique est généralement utilisée et permet de simuler le champ de concentration et les performances de la PCM pour différentes architectures et conditions opératoires. Toutefois, l'utilisation de ces modèles repose sur la connaissance de paramètres in-situ tels que le coefficient de diffusion D et le coefficient de réaction k0. Dans les travaux numériques, ces paramètres sont généralement approximés, ce qui permet une appréhension plutôt qualitative des phénomènes de transport. De plus, ces études numériques n'ont à ce jour pas été vérifiées avec des études expérimentales.Ainsi, le principal verrou scientifique de cette thèse repose sur le développement de méthodes d'imagerie quantitatives pour la caractérisation du champ de concentration dans une PCM en fonctionnement.Pour répondre à ce besoin, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie ainsi que trois méthodes de caractérisation ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, les travaux se sont concentrés sur le développement d'un banc de spectroscopie pour étudier le phénomène d'interdiffusion. Cette étude a permis d'estimer le coefficient de diffusion du permanganate de potassium dans l'acide formique. Ces solutions ont été spécifiquement choisies car ceux sont celle utilisées dans la PCM développées pour la suite de l’étude.Le banc de spectroscopie a ensuite été adapté pour étudier le champ de concentration 2D en régime permanent d'une PCM en fonctionnement. Un modèle analytique du transfert de masse (advection/réaction/diffusion) couplé au champ de concentration 2D a ainsi permis de déterminer le taux de réaction. Les variations de concentration mises en jeu étant parfois très faibles (quelques micro-moles), une autre technique de caractérisation a été mis en place pour diminuer le bruit de mesure.Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, une méthode basée sur la modulation du champ de concentration a été développée. La démodulation du signal a permis de réduire significativement le bruit et des concentrations de 20 µM ont ainsi été estimées. Un modèle analytique décrivant le champ modulé a été établi afin d'implémenter une méthode inverse. La méthode proposée a permis de retrouver le taux de réaction associé à la variation de concentration.En conclusion, les méthodes de caractérisation proposées dans cette thèse permettent d'estimer quantitativement le transfert de masse et la cinétique de réaction à partir du champ de concentration 2D d'une PCM en fonctionnement. Cette technique a été appliquée au PCM, mais elle peut être transférée à un système micrométrique dans lequel les phénomènes de diffusion-advection-réaction ont lieu

    Les systèmes agro-pastoraux économes : élevage et agro-écologie en régions de moyenne montagne et de piémont méditerranéen

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    On the Limousine Moutain and the Lodévois, two small middle mountain and foothills regions of the Massif central, animal husbandry development focused on increasing physical productivity of human work led to an increased part of fodder and concentrated feeds in the flock diet, and increased the grassland use at the expense of the rangelands. One the basis of flock feeding, those rangelands were mainly abandoned or planted with conifers. Several breeders with limited access to moto-mechanized areas go against this dynamic. Thus, they try to reorganize the alimentation of their flocks around diversified rangeland grazing, which implies a systemic modification of production logics. The technoeconomic analysis of these agropastoral systems indicates a significant reduction of fodder and concentrated feed needs and consequently allows less farm equipments investments and input purchases. Comparing the economic results of agro-pastoral farms and farms that have remained within the dominant agricultural development movement shows that despite the reduction of the production per animal and the flock size per active person, these systems called frugal create more added value and help maintaining or even creating jobs in areas that would have been abandoned otherwise. This frugal agro-pastoral systems seems an alternative to the dominant agricultural development in these two middle mountain and foothills regions. However, the development of these systems on a larger scale is currently restrained by the lack of short-circuit outlets for agro-pastoral products, which are often out of step with standard products. Furthermore, the current subsidies allocation of the Common Agriculturis is less advantageous for agropastoral systems and can also impeach their running.Sur la Montagne limousine et dans le Lodévois, deux petites agricoles respectivement de moyenne montagne humide et de piémont méditerranéen du Massif central, le développement de l'élevage centré sur l'accroissement de la productivité physique du travail a conduit à l'augmentation de la part des fourrages distribués et des aliments concentrés dans l'alimentation des troupeaux et au recentrage du pâturage sur les prairies. Les parcours, qui fournissaient auparavant la base de l'alimentation des troupeaux, ont été progressivement abandonnés, ou ont pu faire l'objet de plantations de résineux. À rebours de ce mouvement dominant, quelques éleveurs ayant un accès limité aux terres moto-mécanisables ont au contraire cherché à replacer au centre de l'alimentation de leurs troupeaux le pâturage des parcours, ce qui implique une modification systémique des logiques de production. L'analyse du fonctionnement technico-économique de ces systèmes agro-pastoraux révèle une importante réduction des besoins en fourrages et aliments concentrés, qui se traduit par des investissements en matériel agricole et des achats d'intrants très limités. Malgré une baisse des niveaux de production par animal et une taille de cheptel élevé par actif inférieur, ces systèmes qualifiés d'économes sont bien plus créateurs de richesses et d'emplois agricoles que ceux restés dans le mouvement de développement agricole dominant, tout en utilisant des terres qui seraient autrement à l'abandon. Si ces systèmes économes semblent pouvoir constituer une alternative au développement agricole dans ces régions, leur diffusion reste limitée par les débouchés pour une production agricole hors des standards de l'aval et par le mode actuel d'attribution des subventions de la Politique Agricole Commune, dont ils bénéficient moins et qui peuvent entraver leur fonctionnement

    Statistiques du nombre et corrélations en impulsion dans des gaz de Bose interagissants

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    This thesis work is dedicated to the study of number statistics and momentum correlations in interacting lattice Bose gases. The Bose-Hubbard model is simulated by loading Bose-Einstein condensates (BECs) of metastable Helium-4 atoms into a three-dimensional (3D) optical lattice. This model exhibits a quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator that is driven by interaction-induced quantum fluctuations. The objective of this work is to comprehend the role of these quantum fluctuations by analyzing their signatures in momentum space. The original detection scheme employed towards this aim provides the single-particle resolved momentum distribution of the atoms in 3D. From such datasets made up of thousands of individual atoms, the number statistics of occupation of different sub-volumes of momentum space yield information about correlation or coherence properties of the interacting Bose gas. At close-by momenta these occupation probabilities permit the identification of underlying pure-state statistics in the case of textbook many-body states such as lattice superfluids and Mott insulators. In the weakly-interacting regime, well-established correlations between pairs of atoms at opposite momenta are observed. Furthermore, these pair correlations are found to decrease in favor of more intricate correlations between more than two particles as interactions are increased. A direct observation of non-Gaussian correlations encapsulates the complex statistical nature of strongly-interacting superfluids well before the Mott insulator phase transition. Finally, at the phase transition, fluctuations of the occupation number of the BEC mode are found to be enhanced, constituting a direct signature of the quantum fluctuations driving the transition. System-size independent quantities such as the Binder cumulant are shown to exhibit distinctive sharp features even in a finite-size system, and hold promise for constituting suitable observables for determining universal behavior when measured in a homogeneous system.Ce travail de thèse est dédié à l'étude des statistiques du nombre et corrélations en impulsion dans des gaz de Bose sur réseaux interagissants. Le modèle de Bose-Hubbard est simulé en chargeant des condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes d'Hélium-4 métastables dans un réseau optique tridimensionnel (3D). Ce modèle présente une transition de phase quantique d'un superfluide à un isolant de Mott induite par des fluctuations quantiques provoquées par l'interaction. L'objectif de ce travail est de comprendre le rôle de ces fluctuations quantiques en analysant leurs signatures dans l'espace des impulsions. Le schéma de détection original utilisé à cette fin fournit la distribution d'impulsion résolue à l'échelle de l'atome unique en 3D. À partir de ces jeux de données composés de milliers d'atomes individuels, les statistiques du nombre d'occupation de différents sous-volumes de l'espace des impulsions fournissent des informations sur les propriétés de corrélation ou de cohérence du gaz de Bose interagissant. À impulsions proches, ces probabilités d'occupation permettent l'identification de statistiques d'état pur sous-jacentes dans le cas d'états many-body classiques tels que les superfluides en réseau et les isolants de Mott. Dans le régime faiblement interagissant, des corrélations bien établies entre les paires d'atomes à impulsions opposées sont observées. De plus, on constate que ces corrélations entre paires diminuent en faveur de corrélations plus complexes entre plus de deux particules lorsque les interactions sont augmentées. Une observation directe de corrélations non-Gaussiennes encapsule la nature statistique complexe des superfluides fortement interagissants bien en amont de la transition de phase vers l'isolant de Mott. Enfin, lors de la transition de phase, on constate une augmentation des fluctuations du nombre d'occupation du mode du BEC, constituant une signature directe des fluctuations quantiques induisant la transition. Des quantités indépendantes de la taille du système, telles que le cumulant de Binder, présentent des variations abruptes même dans un système de taille finie et semblent prometteuses pour constituer des observables appropriés permettant de déterminer le comportement universel lorsqu'elles sont mesurées dans un système homogène

    Stratégie de modélisation multi-fidélité via une approche système incluant des métamodèles basés sur les entités NURBS

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    The more complex the problem, the greater the amount of computational resources needed to simulate it. On the other hand, the need for accuracy in the results of a system will not be the same depending on its design phase and the domain studied. The goal of this thesis is to propose a fast, low-cost multi-fidelity modeling strategy. To meet this need, a hybrid modeling approach is developed that combines Model-Based System Engineering (MBSE) and a metamodel based on Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS) hypersurfaces. More specifically, the scientific challenge of this work is to develop a metamodel based on NURBS entities to simulate the behavior of highly nonlinear systems that require high fidelity modeling but are capable of providing results in real time to be compatible with the MBSE approach. In this context, the NURBS entity-based metamodel is obtained as a solution to an optimization problem solved with a gradient algorithm. In addition, a smoothing term is included in the problem formulation, not only to reduce the influence of any spurious nonlinearities in the training database, but also to limit the phenomenon of overfitting. The technical and scientific challenge of this work is to couple the general MBSE approach with the NURBS-based metamodel.Plus un problème est complexe, plus la quantité de ressources informatiques nécessaires pour le simuler est importante. D’autre part, le besoin de précision dans les résultats d’un système ne sera pas le même selon sa phase de conception et le domaine étudié. L'objectif de cette thèse est de proposer une stratégie de modélisation multi-fidélité rapide et peu couteuse en ressources de calcul. Pour répondre à ce besoin, une modélisation hybride est développée, couplant approche Model-Based System Engineering (MBSE) et métamodèle basé sur les hypersurfaces Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS). Plus précisément, l’enjeu scientifique de ce travail est le développement du métamodèle basé sur les entités NURBS pour simuler le comportement de systèmes fortement non-linéaires nécessitant une modélisation haute-fidélité mais capable de fournir les résultats en temps réel pour être compatible avec l’approche MBSE. Dans ce contexte, le métamodèle basé sur les entités NURBS est obtenu comme solution d’un problème d’optimisation résolu avec un algorithme au gradient. En outre, un terme de lissage est intégré dans la formulation du problème pour non seulement réduire l’influence d’éventuelles non-linéarités parasites de la base de données d’entraînement mais également pour limiter le phénomène d’overfitting. L’enjeu technicoscientifique de ce travail est de parvenir à coupler l’approche générale MBSE avec le métamodèle à base de NURBS

    Nouvelles représentations séparées pour des applications industrielles complexes : espace, temps et paramètres

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    Every transient problem in continuum mechanics is characterized by three variables: space, time and parameters. The space defines the physical domain, enabling the definition of diverse systems. The time captures dynamic processes, allowing for transient behavior analysis. The parameters control system and modeling characteristics. Together, these elements drive the accuracy and relevance of computational science, making them essential for understanding and predicting real-world phenomena.The complexity arising from managing space, time, and parameters in numerical simulations can be particularly challenging when dealing with thin structures, small time steps combined with long time intervals, and a high number of parameters over large domains.The numerical simulation of three-dimensional models in thin geometries presents important challenges since maintaining the mesh granularity proportional to the thickness dimension requires an impractical number of elements for the entire structure. This issue is currently encountered in automotive industry when considering vehicle crash simulations, where most of the components are thin structures.When time multiscale behaviours occur, standard discretization techniques are constraint to mesh up to the finest scale to predict accurately the response of the system. This results in a prohibitive computational when the phenomena must be observed over a long duration. This occurs, for instance, in material science when dealing with fatigue damage assessments and cyclic visco-elasto-plastic fatigue problems.A large number of parameters increases the dimensionality of the parameter space exponentially, making its exploration computationally intensive. The data generated from numerous simulations can be difficult to manage and advanced meta-modeling techniques are required. This typically happens in optimal design problems of multi-component parametric structures.To address these challenges, it is essential to strike a balance between accuracy and computational efficiency, requiring ad-hoc advanced developments. In this thesis the three challenges are separately addressed via novel separation-based techniques.Chaque problème transitoire en mécanique des milieux continus est caractérisé par trois variables : l'espace, le temps et les paramètres. L'espace définit le domaine physique, permettant la description de divers systèmes. Le temps capture les processus dynamiques, autorisant l'analyse des comportements transitoires. Les paramètres influent sur les caractéristiques des systèmes et de la modélisation. Ensemble, ces éléments influent sur l'exactitude et la pertinence de la science computationnelle, les rendant essentiels pour la compréhension et la prédiction des phénomènes réels.La gestion de l'espace, du temps et des paramètres dans les simulations numériques est particulièrement impactée lorsqu'il s'agit de structures minces, de petits pas de temps combinés à de longs intervalles, et d'un grand nombre de paramètres sur de vastes domaines.La simulation numérique de modèles tridimensionnels dans des géométries minces présente d'importants défis, car maintenir la granularité du maillage proportionnelle à la dimension de l'épaisseur nécessite un nombre impraticable d'éléments pour toute la structure. Cela survient souvent dans l'industrie automobile lors de simulations de crash, où la plupart des composants sont des structures minces.Lorsque des comportements multiscales dans le temps surviennent, les techniques de discrétisation standard sont contraintes de mailler jusqu'à l'échelle la plus fine pour prédire avec précision la réponse du système. Cela entraîne un coût computationnel prohibitif lorsque les phénomènes sont observés sur une longue durée, comme c'est le cas en science des matériaux lors de l'évaluation des endommagements par fatigue.Un grand nombre de paramètres augmente de manière exponentielle la dimension de l'espace paramètrique, limitant son exploration. Les données générées par de nombreuses simulations peuvent être difficiles à gérer et des techniques avancées de méta-modélisation sont nécessaires. Cela se produit généralement dans des problèmes de conception optimale de structures paramétriques à plusieurs composants.Pour relever ces défis, il est essentiel de trouver un équilibre entre la précision et l'efficacité computationnelle, nécessitant des développements avancés. Dans cette thèse, les trois défis sont abordés via des nouvelles techniques basées sur les représentations séparéés

    Evolution microstructurale de l'acier 316L élaboré par fabrication additive (LPBF et WAAM) et influence sur son comportement à rupture

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    This thesis investigates the relationships between the microstructure and fracture behavior of austenitic 316L stainless steels produced by two additive manufacturing processes. To this end, several microstructures were manufactured using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) processes. Various heat treatments were then applied to the consolidated samples, with the aim of developing their microstructures in a controlled manner (stress relieving, homogenization, recrystallization). A particular attention was paid to the recrystallization kinetics of these steels, which are very different from those observed in conventional 316L steels. Finally, the materials were tested for impact and/or fracture toughness.In the case of 316L steel produced using the LPBF process, a comparative study of deformation and fracture mechanisms enabled to determine the influence of microstructural features on the impact and fracture toughness behavior. Among these features, the nanometric oxides present in these materials at the end of the manufacturing process appeared to have a significant influence on fracture mechanisms, the latter occurring through decohesion at the oxide/matrix interfaces. After recrystallization, ripening of these oxides at recrystallized grain boundaries led to a significant drop in resistance to crack initiation and propagation. Correlations between impact toughness and fracture toughness have been established. The low-temperature impact toughness values (down to - 193°C) of various microstructures were compared with those of 316L steels either wrought or produced by hot isostatic pressing. As these trends appeared similar, it was concluded that the microstructural features specific to LPBF 316L steel did not have any significant influence on the sensitivity of its impact toughness to temperature.Regarding the WAAM-manufactured 316L steel, a more limited experimental campaign, based on the results obtained after LPBF, was used to determine the influence of microstructural features on the fracture behavior. Fracture mechanisms similar to those of LPBF 316L were observed: failure occurred by decohesion of the oxide (in this case submicrometer-sized) / matrix interfaces. Conversely, recrystallization treatments were beneficial to the impact toughness of this steel, as they did not induce the localization of oxides at grain boundaries. Lastly, the δ-ferrite present in the microstructure of as-built WAAM 316L induced brittle fracture of the material at - 193°C.Ces travaux de thèse portent sur les relations microstructure - comportement à rupture d'aciers inoxydables austénitiques 316L élaborés par deux procédés de fabrication additive. Dans cette optique, plusieurs microstructures ont été élaborées par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) et le procédé arc-fil (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM). Différents traitements thermiques ont ensuite été appliqués aux échantillons consolidés, dans le but de faire évoluer leurs microstructures de manière contrôlée (détensionnement, homogénéisation, recristallisation). Une attention particulière a été portée aux cinétiques de recristallisation de ces aciers, très différentes de celles observées dans les aciers 316L conventionnels. Enfin, les matériaux ont été testés en résilience et/ou en ténacité.Dans le cas de l'acier 316L élaboré par procédé LPBF, l'étude comparative des mécanismes de déformation et de rupture a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement en résilience et en ténacité. Parmi ces éléments, les oxydes nanométriques présents dans ces matériaux en sortie de fabrication semblent avoir une influence significative sur les mécanismes de rupture, cette dernière intervenant par décohésion des interfaces oxyde / matrice. Après recristallisation, le mûrissement de ces oxydes aux joints des nouveaux grains recristallisés mène à une baisse significative de la résistance à l'amorçage et à la propagation de fissure. Des corrélations entre résilience et ténacité ont été établies. L'évolution de la résilience à basse température (jusqu'à - 193 °C) de différentes microstructures ont été comparées à celles d'aciers 316L forgés ou élaborés par compaction isostatique à chaud. Ces évolutions apparaissant similaires, il est conclu que les éléments de microstructure particuliers à l'acier 316L LPBF n'apparaissent pas avoir d'influence significative sur la sensibilité de sa résilience envers la température.Concernant l'acier 316L élaboré par procédé WAAM, un plan d'expérience plus restreint, établi sur la base des résultats obtenus après LPBF, a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement à rupture. Des mécanismes de rupture similaires à ceux des aciers 316L LPBF de l'étude ont été observés : rupture par décohésion des interfaces oxydes (ici de tailles submicrométriques) / matrice. A l'inverse, les traitements de recristallisation s'avèrent bénéfiques sur la résilience de cet acier, ceux-ci n'induisant pas la localisation des oxydes aux joints de grains. Enfin, la ferrite δ présente dans la microstructure de l'acier 316L WAAM brut de fabrication induit une rupture fragile du matériau à - 193 °C

    Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline

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    Establishing microstructure-property relationships is a critical challenge for the design of structural materials. Metals dis-play an heterogeneous polycrystalline organisation which drives their performance, hence the need to access to themechanical quantities of interest at the grain and sub-grain scales. A variety of characterization techniques now givesaccess to those levels of details. Recent progress in synchrotron and laboratory X-ray techniques have contributed to therise of multimodal experiments, especially by allowing non destructive in situ testing. In particular, Diffraction ContrastTomography (DCT), which belongs to the Diffraction Microcrostructure Imaging (DMI) techniques family, allows the re-construction of 3D grain maps with their associated orientations field and actual morphology. These digital twins canbe used directly for simulations. Improved convergence of experimental and numerical modalities leads to unified andmassive databases. This represents an opportunity to unlock the understanding of the complex physical mechanisms atstake. The main objective of the present work is to contribute, with concrete use cases, to demonstrate the potential ofthis approach. We introduce two in situ multimodal datasets applied to incipient crystal plasticity on a commercially puretitanium. First, we assess the performance of the EBSD, synchrotron DCT and LabDCT techniques used. A statisticalregistration technique allows to compare rigorously these modalities. Typical plasticity mechanisms are observed at thesurface and in the volume (grains rotation, plastic slip and intragranular transmission, GND dislocations accumulation atgrain boundaries), as well as the formation of sub grains, an unprecedented observation only enabled by the DCT. Inaddition, the FFT simulation performed on a DCT volume allowed us to validate the performance of the continuous crystalplasticity model, excepted in the vicinity of the non modelized precipitates. The last chapter presents a complementarynumerical study of the performance of the LabDCT algorithm, commercialized by XNovo Technology, on a microstructurein the deformed state. This study lies in the scope of extending the reconstruction applications of DMI techniques. Weshowed good performance of the algorithm for tracking grains rotations during the deformation. On the other hand, the program is not able to reconstruct a reliable intragranular orientation field.Comprendre les liens étroits entre microstructure et propriétés est un objectif majeur pour la conception de matériaux de structure. Les métaux présentent une organisation polycristalline hétérogène qui pilote leur performance, d’où la nécessité d’accéder aux quantités mécaniques d’intérêt à l’échelle granulaire, voire intragranulaire. Un large éventail de techniques de caractérisation permet désormais d’observer ces échelles. Des avancées récentes sur les techniques RX, en synchrotron ou en laboratoire, ont contribué à l’essor des expériences multimodales, notamment par la réalisation d’essais in situ en volume non destructifs. En particulier la Tomographie par Constraste de Diffraction (DCT), appartenant à la famille des techniques d’Imagerie de Microstructure par Diffraction (DMI), permet de reconstruire des cartographies 3D de grains avec leurs orientations associées et une morphologie fidèle de la réalité. Les jumeaux numériques obtenus peuvent être utilisés directement pour des simulations. Cette convergence améliorée des modalités expérimentales ou numériques permet d’envisager des jeux de données massifs et unifiés. Cela constitue une opportunité pour mieux appréhender la complexité des mécanismes physiques. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer, sur des cas concrets, à démontrer le potentiel de cette approche. Nous introduisons deux jeux de données multimodaux in situ appliqués à l’étude des premiers stades de la plasticité cristalline sur un titane commercialement pur. Nous évaluons d’abord les performances des techniques EBSD, DCT synchrotron et LabDCT utilisées. Une solution de recalage statistique permet de comparer rigoureusement ces modalités. Des mécanismes caractéristiques de plasticité sont ensuite statistiquement mis en évidence en surface et en volume (rotation des grains, glissement plastique et transmission intergranulaire, accumulation de dislocations GND aux joints de grains), ainsi que la formation de sous-grains, observation inédite uniquement permise par mesure DCT. La simulation FFT réalisée sur un volume DCT a permis en outre de valider les performances du modèle de plasticité cristalline continu sauf au voisinage des précipités non modélisés. Le dernier chapitre présente une étude numérique complémentaire des performances de l’algorithme LabDCT, commercialisé parXNovo Technology, sur une microstructure à l’état déformé. Cette étude s’inscrit dans la dynamique d’étendre les capacités de reconstruction des techniques DMI. Nous avons établi des performances satisfaisantes de l’algorithme pour suivre les rotations des grains au cours de la déformation. Par contre le programme n’est pas capable de reconstruire un champ intragranulaire d’orientations fiables

    Étude expérimentale et contrôle du couplage hydroélastique de bord de fuite d’un hydrofoil en régime de transition

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    The majority of anthropogenic noise in the oceans is due to commercial, military or tourist motorized navigation. In that respect, defense issues and preservation of ecosystems are matters of great concerns.Lifting surfaces such as hydrofoils, propeller blades, rudders, stabilizers and dive bars can vibrate under flow and, under certain conditions, can produce tonal noise. Reducing the vibrations and noise generated by this type of structure, which are present in the field of shipbuilding, is therefore an important issue to limit noise pollution and to improve the acoustic discretion of ships.This study, carried out at the French Naval Academy Research Institute (IRENav), highlights the hydroelastic coupling mechanism responsible of trailing edge vibrations and of lifting surface tonal noise evolving in laminar to turbulent transition regime. This experimental research was carried out in a hydrodynamic tunnel on a NACA0015 hydrofoil, for angles of incidence ranging from 0° to 12° and Reynolds numbers varying from 200,000 to 1,200,000. Advanced experimental set ups such as Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV), Laser Doppler Velocimetry (LDV) or laser vibrometry were used to specify the characteristics of the near-wall flow as well as the vibrational behavior of the hydrofoil depending on the incidence and the Reynolds number. The results obtained show that the tonal noise was associated with a strong coupling regime between the Tollmien-Schlichting waves developing in the boundary layer regime and a structural mode of the trailing edge of the hydrofoil, producing a vortex shedding in the wake. This work also made it possible to show that such hydroelastic coupling is conditioned by the occurrence of a boundary layer transition zone close to the trailing edge and by the existence of a trailing edge structural mode whose natural frequency is in the amplification range of Tollmien-Schlichting waves. Finally, a comparison of passive control solutions such as geometric modification of the trailing edge and forcing of boundary layer turbulence was done, considering for both their effectiveness and their impact on the hydrodynamic performances of the hydrofoil.La majorité des bruits anthropiques dans les océans sont dus à la navigation motorisée commerciale, militaire ou de tourisme. Les enjeux de défense et la préservation des écosystèmes sont au cœur de ces préoccupations.Les structures portantes telles que les hydrofoils, les pales d'hélices, les gouvernails, les stabilisateurs et les barres de plongée peuvent vibrer sous écoulement et, sous certaines conditions, produire de fortes émissions sonores au caractère tonal. Diminuer les vibrations et le bruit généré par ce type de structures, très présentes dans le domaine de la construction navale, est donc un enjeu important pour limiter la pollution sonore et améliorer la furtivité des navires.Cette étude, menée à l'Institut de Recherche de l'École Navale (IRENav), a permis de mettre en évidence le mécanisme de couplage hydroélastique responsable des vibrations de bord de fuite et du bruit tonal d'un profil portant, évoluant en régime de transition laminaire-turbulent. Ces recherches expérimentales ont été réalisées dans un tunnel hydrodynamique sur un hydrofoil de profil NACA0015, pour des angles d'incidence allant de 0° à 12° et des nombres de Reynolds variant de 200 000 à 1 200 000. Des moyens expérimentaux avancés tel que la Vélocimétrie par Image de Particules Résolue en Temps (TR-PIV), la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (LDV) ou la vibrométrie laser ont été utilisés pour préciser les caractéristiques de l'écoulement en proche paroi ainsi que le comportement vibratoire de l'hydrofoil en fonction de l'incidence et du nombre de Reynolds. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le bruit tonal était associé à un régime de couplage fort entre les ondes de Tollmien-Schlichting se développant dans la couche limite en régime de transition et un mode structurel de bord de fuite de l'hydrofoil, produisant un lâcher alterné de tourbillons dans le sillage. Ces travaux ont également permis de préciser qu’un tel couplage hydroélastique est conditionné d’une part, par l’occurrence d’une zone de transition de couche limite proche du bord de fuite et, d’autre part, par l’existence d’un mode structurel de bord de fuite dont la fréquence propre se situe dans la gamme d'amplification des ondes de Tollmien-Schlichting. Enfin des solutions de contrôle passif telles que la modification géométrique du bord de fuite et le forçage de la turbulence de la couche limite ont été comparées, autant du point de vue de leur efficacité que de leur impact sur les performances hydrodynamiques de l'hydrofoil

    Offre de riz local en Afrique de l'Ouest : analyse des risques et contraintes affectant la production et de leur impact sur la sécurité alimentaire des riziculteurs

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    Rice, with its rapidly growing importance as a staple food, plays a key role in West African diets, accounting for nearly 40% of the total volume of cereals consumed. In the context of the 2008 food price crisis, several West African countries have proclaimed their goal of rice self-sufficiency by 2050, through expansion of cultivation areas and intensification of rice farming. The objective of this thesis is to assess the production and market risks associated with increased rice production in West Africa and to evaluate their impact on the welfare and food security of rice producers.In a first study, the potential impact of reallocating resources such as land, labor or capital to rice production at the expense of other staple food crops such as cassava, maize, millet, sorghum or yam is examined. On average across the region, rice yields are more variable, by about 20%, than those of the other five staple food crops. Rice tends to have more variable yields than the other crops in areas where they are traditionally grown (i.e., tubers in the Guinean zone, and sorghum and millet in the Sahelian and Sudanian zones). Rice yields, across all cropping systems, tend to be more variable than those of other crops in areas where rainfall variability is greatest.The impact of agricultural practices and climate risk on rice yields is examined in a second study, via the construction of rice production functions for four representative cropping systems (i.e., rainfed lowland system, improved lowland system, irrigated system, rainfed upland system). The statistical study of yields shows that intensive practices (i.e., use of fertilizers, pesticides, improved varieties, improved water management) significantly increase average yields but do not lead to a stabilization of yields, at the scale of an administrative region 1. In the Guinean and Sudanian zones, where water scarcity and drought risks are lower, it is the frequency of weeding that has the greatest impact on average yields. In contrast, in the Sahelian zone, the spatio-temporal variability of rainfall explains about 50% of the variance of yields, for non-irrigated systems.Finally, the impact of agricultural risks and constraints, and the effect of changes in the economic context, on the decision making of rice farmers is assessed using a microeconomic model. The results of this analysis show that the economic situation of households influences their choice of investment in rice farming. Farmers locked into the poverty trap are, by definition, constrained by the lack of available capital at the beginning of the cycle, and thus have no opportunity to invest in inputs, unlike households that have been able to generate a surplus and save part of their income. This poverty trap is strongly correlated with the climatic context, since in regions where water is scarce and the risk of drought is high (i.e., the Sahelian and North-Sudanian zones), yields are low and water is the limiting factor, so that the addition of fertilizer does not generate significant income.Improving rice production is, in the current context, strongly constrained by the risks and constraints faced by rice-producing households. Our results show that rice self-sufficiency may not be effective in achieving food security in West Africa, as production can vary considerably depending on climatic conditions.Le riz, du fait de son importance croissante en tant qu'aliment de base, joue un rôle clé dans les régimes alimentaires ouest-africains, représentant près de 40 % du volume total de céréales consommées. Dans le contexte de la crise des prix alimentaires de 2008, plusieurs pays d'Afrique de l'Ouest ont proclamé leur objectif d'autosuffisance en riz d'ici 2050, par l'expansion des zones rizicoles et l'intensification de la riziculture. L'objectif de cette thèse est d'analyser les risques de production et de marché associés à une augmentation de la production de riz en Afrique de l'Ouest et d'évaluer leur impact sur le bien-être et sur la sécurité alimentaire des producteurs de riz.Dans une première étude, l'impact potentiel de la réaffectation de ressources telles que la terre, le travail ou les capitaux vers la production de riz au détriment d'autres cultures vivrières de base comme le manioc, le maïs, le millet, le sorgho ou l'igname est examiné. En moyenne, sur toute la région, les rendements du riz sont plus variables, d'environ 20%, que ceux des cinq autres cultures alimentaires de base. Le riz tend à avoir des rendements plus variables que les autres cultures dans les régions où elles sont traditionnellement cultivées (i.e., les tubercules en zone guinéenne et le sorgho et le mil dans les zones sahélienne et soudanienne). Les rendements du riz, tous systèmes de culture confondus, ont tendance à être plus variables que ceux des autres cultures dans les régions où la variabilité des précipitations est la plus forte.L'impact des pratiques agricoles et du risque climatique sur les rendements du riz est examiné dans une deuxième étude, via la construction de fonctions de production du riz pour quatre systèmes de culture représentatifs (i.e., système pluvial de bas-fond, système de bas-fond amélioré, système irrigué, système pluvial de hautes-terres). L'étude statistique des rendements montre que les pratiques intensives (i.e., utilisation de fertilisants, de pesticides, de variétés améliorées, gestion de l'eau améliorée) augmentent significativement les rendements moyens mais ne conduisent pas à une stabilisation des rendements, à l'échelle d'une région administrative 1. Dans les zones guinéenne et soudanienne, où la pénurie d'eau et le risque de sécheresse sont moindres, c'est la fréquence de désherbage qui a le plus d'impact sur les rendements moyens. Au contraire, dans la zone sahélienne, la variabilité spatio-temporelle des précipitations explique environ 50% de la variance des rendements, dans le cas des systèmes non irrigués.Enfin, dans une troisième et dernière partie, l'impact des risques et contraintes agricoles et l'effet de changements du contexte économique sur la prise de décision des riziculteurs est évalué grâce à un modèle microéconomique. Les résultats de cette analyse montrent que la situation économique des ménages influence leur choix d'investissement dans la riziculture. Les producteurs piégés dans la trappe à pauvreté sont, par définition, contraints par le manque de capital disponible en début de cycle et n'ont donc pas la possibilité d'investir dans des intrants, contrairement aux ménages qui ont pu dégager un surplus et épargner une partie de leurs revenus. Cette trappe à pauvreté est fortement corrélée au contexte climatique, puisque dans les régions où l'eau est rare et le risque de sécheresse élevé (c'est-à-dire les zones sahélienne et Nord-soudanienne), les rendements sont faibles et l'eau est le facteur limitant, de sorte que l'ajout d'engrais ne génère pas de revenus significatifs.L'amélioration de la production de riz est, dans le contexte actuel, fortement freinée par les risques et les contraintes auxquels sont confrontés les ménages producteurs de riz. Nos résultats montrent que l'autosuffisance en riz pourrait ne pas être efficace pour atteindre la sécurité alimentaire en Afrique de l'Ouest car la production peut varier considérablement en fonction des conditions climatiques

    Interaction Lean-BIM en phase exécution de projet de construction : Développement d’un outil de planification automatique basé sur les informations du bâtiment pour soutenir la démarche LPS®

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    In recent years, the construction sector has experienced a decline in productivity compared to other industries. This decrease is primarily due to the delayed and slow adoption of lean production methods and new technologies. To enhance its productivity, the construction sector must expedite its adoption of Lean Construction (LC) techniques and Building Information Modeling (BIM). These solutions have proven to be effective in improving collaboration among project stakeholders, optimizing design and construction processes, and consequently enabling faster, better, and more cost-effective construction. Despite the separate development and implementation of these solutions, research has shown a strong interest in their combined application.In order to contribute to the co-application of LC and BIM, based on a state-of-the-art review, our research has led to the identification of a promising interaction between these two approaches. This connection links the Last Planner System® (a collaborative planning method of LC) with the visualization functions of BIM. Furthermore, a detailed analysis of tools combining LPS® and BIM has shown that the utilization of data generated by these two approaches is not yet fully integrated. To enhance the integration between LPS® and BIM, we propose, through this thesis, to automate the generation of tasks in the collaborative planning of the LPS® approach using operational data from a construction project, including data from the BIM digital model. Automating the planning process allows decision-makers to eliminate tedious manual work, resulting in time and cost savings. Moreover, it leverages the project's operational data to create added value, demonstrating a leaner management approach to building information, known as "Lean Building Information Management."On a technological level, our work has allowed us to implement a tool (a web application) that automatically generates a spatio-temporal schedule using real construction project data of the HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) discipline. These pieces of information include project estimation data generated during the tendering phase, data from the digital model created during the detailed design stage, the client’s milestones, as well as standards of equipments’ installation operations. The implementation of this solution required a preliminary analysis of user needs and input data, meticulous work to define and standardize the equipments’ installation operations as well as several developments, including software development.Finally, functional and analytical evaluations were conducted to verify the coherence of the results generated by the solution, as well as to assess to what extent its functionalities meet the needs of end users.The results obtained in this thesis pave the way for several future works, particularly in the field of continuous management of construction projects data throughout their life cycles, through the use of data warehouses.Ces dernières années, le secteur de la construction a connu une baisse de productivité par rapport aux autres secteurs d'activité. Cette chute est principalement due à l’adoption tardive et ralentie des méthodes de production allégées et des nouvelles technologies. Pour améliorer sa productivité, le secteur de la construction doit accélérer son adoption des techniques du Lean Construction (LC) et du BIM. Ces solutions s’avèrent être efficaces pour améliorer la collaboration entre les acteurs d’un projet, optimiser les processus de conception et de construction et par voie de conséquence construire vite, mieux et moins cher. Malgré le développement et la mise en œuvre séparés de ces solutions, des travaux de recherche ont montré un fort intérêt quant à leur application conjointe.Afin de contribuer à la co-application du LC et du BIM, et en se basant sur un état de l’art, nos travaux de recherche ont conduit à l’identification d’une interaction prometteuse entre ces deux approches. Celle-ci relie la méthode Last Planner System® (méthode de planification collaborative du LC) aux fonctions de visualisation du BIM. Par ailleurs, une analyse détaillée des outils combinant le LPS® et le BIM a montré que l’exploitation des données générées par ces deux approches ne fait pas encore l’objet d’une intégration complète. Pour améliorer l’intégration entre le LPS® et le BIM, nous proposons à travers cette thèse d’automatiser la génération des tâches du planning collaboratif de l’approche LPS® à partir des données opérationnelles d’un projet de construction, y compris les données de la maquette numérique BIM. L’automatisation de la planification permet aux décideurs de s’affranchir du travail manuel fastidieux, ce qui se traduit par un gain de temps et économique. De plus, elle capitalise sur les données opérationnelles du projet pour créer de la valeur ajoutée, ce qui témoigne d’une gestion plus légère des informations du bâtiment, c’est-à-dire d’une approche « Lean Building Information Management ».Sur le plan technologique, nos travaux ont permis de mettre en place un outil (une application Web) permettant de générer automatiquement un planning spatio-temporel en utilisant les données du génie climatique d’un projet de construction réel. Ces informations incluent les données de chiffrage du projet produites en phase avant-vente, les données de la maquette numérique modélisées en phase d’études d’exécution, les jalons imposés par le client ainsi que les données standards des opérations de mises en œuvre des équipements. La mise en œuvre de cette solution a nécessité une analyse préalable des besoins des utilisateurs, des données d’entrées, un travail rigoureux pour rédiger et standardiser les opérations de mise en œuvre des équipements, ainsi que plusieurs développements notamment informatiques.Enfin, des évaluations fonctionnelles et analytiques ont été menées afin de vérifier la cohérence des résultats générés par la solution, ainsi que pour évaluer dans quelle mesure ses fonctionnalités répondent aux besoins des utilisateurs finaux.Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie à plusieurs travaux futurs, notamment en matière de gestion continue des données des projets de construction tout au long de leurs cycles de vie, grâce à l’utilisation des entrepôts de données (DataWarehouse)

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