Etude de champs de température séparables avec une double décomposition en valeurs singulières (quelques applications à la caractérisation des propriétés thermophysiques des matérieux et au contrôle non destructif)

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L analyse de sensibilité, basée sur l étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la physique des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé.Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the physical meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Modélisation non linéaire des effets de l'endommagement sur les propriétés thermiques d'un CMC unidirectionnel = Modelling the influence of damage on the thermal properties of ceramic matrix composites

National audienceLes composites thermostructuraux, que sont les CMC, doivent à la fois être tolérants aux endommagements mécaniques et continuer à assurer l'échange de chaleur dans l'état endommagé pour des applications telles que le nucléaire. Cela nécessite d'établir la dépendance des propriétés thermophysiques à l'état d'endommagement et de développer des outils de calcul et de dimensionnement de structure. L'objectif est de proposer un modèle non linéaire qui couple une loi de comportement élastique endommageable et une représentation des transferts thermiques, pour des composites à matrice céramique. L'originalité est d'aborder dans une même étude les comportements thermique et mécanique pour un composite unidirectionnel. Il est alors possible d'évaluer la dégradation de la conductibilité thermique du matériau sous un mode de sollicitation

Estimation de la cartographie du coefficient d'échange convectif par thermographie infrarouge

Le coefficient d'échange convectif est un paramètre pertinent lorsqu'il s'agit de modéliser le comportement thermique d'un système physique. Dans ce texte, à partir de deux modèles thermiques écrits et discrétisés à l'échelle du pixel nous avons construit deux fonctionnelles qui relient variables observables en occurrence les champs de températures mesurés par une caméra infrarouge et les variables à estimer (coefficient d'échange convectif et/ou diffusivité thermique). Les cartographies du coefficient d'échange convectif sont obtenus en minimisant ces deux fonctionnelles. Ici, les résultats que donnent ces deux modèles sont présentés et confrontés. Nous montrons que lorsque les effets de refroidissement sont prépondérants, la diffusion de la chaleur dans le système physique peut être négligée dans l'estimation du coefficient d'échange convectif. Les valeurs de corrélations linéaires entre le champ de température et sa dérivée temporelle montrent que ces deux grandeurs sont relativement bien corrélées

Faisabilité du déroulage du bois assisté par infrarouge.

Le déroulage permet de transformer un billon en un ruban continu de bois vert (de 0.6 à plus de 3 mm d'épaisseur) appelé placage . La production de placages joue un rôle important dans l'industrie du bois car les placages servent de base d'un grand nombre de produits industriels (ex : Parallel Strand Lumbers (PSL), Laminated Veneer Lumber (LVL), contreplaqués, emballages légers, etc.) parmi les plus utilisés dans l'industrie du bois. Pour certaines essences, ce procédé exige un prétraitement, appelé l'étuvage qui consiste à chauffer au préalable le bois vert (saturé en eau) par immersion dans l'eau ou dans la vapeur d'eau chaude afin de lui conférer une déformabilité remarquable tout en diminuant les efforts de coupe. Cette pratique présente cependant de nombreux inconvénients industriels et environnementaux (fentes à cœur, faible rendement, dépense énergétique importante, pollution des eaux, fentes à cœur, traitement immobilisant des stocks de bois importants pour des longues périodes, ).L'objectif de cette étude est de développer une innovation majeure pour les industries du déroulage et du tranchage, visant à remplacer les pratiques d'étuvage par une technologie de chauffe embarquée sur les machines de production. La technologie de chauffe par rayonnement infrarouge a été retenue pour sa facilité de mise en place sur la machine (panneaux rayonnants peu encombrants) et sa rapidité à atteindre des températures source élevées pouvant ainsi suivre les cadences de déroulage rapides exigées par les industriels (de 1 à 5 m.s-1). Cette nouvelle technologie utilisant les infrarouges pour chauffer le bois vert avant le déroulage serait une innovation majeure pour les industries impliquées dans la fabrication du contreplaqué, LVL, etc.Pour ce faire, l'étude a été conduite en quatre temps:-Elaboration d'un modèle numérique permettant la simulation de la chauffe de bois ronds déroulé avec différents paramètres du bois (humidité, propriétés thermiques),-Caractérisations thermique et optique du bois vert (en termes de profondeur de pénétration et de capacité d'absorption des rayonnements infrarouge) pour alimenter le modèle,-Validation du modèle par des essais de déroulage avec chauffe embarquée.L'apport majeur de cette étude est d'avoir démontré que la pénétration des rayonnements infrarouge dans le bois se limite à quelques dizaines de micromètres. La propagation de la chaleur jusqu'au plan de coupe situé à quelques millimètres sous la surface s'effectue donc par conduction, mode de transfert de chaleur lent dans le cas du bois aux propriétés isolantes remarquables. La chauffe embarquée semble donc inadaptée face aux cadences de déroulage imposées par les industriels. L'utilisation d'une telle technologie dans le cas du tranchage reste à étudier et en particulier l'impact de l'absence d'étuvage par immersion sur la qualité des placages (couleur, état de surface).In the wood-products industry peeling' is the process of converting a log into a continuous thin ribbon of green wood (from 0.6 to more than 3 mm thickness) termed veneer. Veneers are mainly used for manufacturing light weight packaging and Engineer Wood Products (EWP) such as plywood, Laminated Veneer Lumber (LVL) and Parallel Strand Lumbers (PSL). These three latter EWPs manufactured from veneers glued and pressed together, are amongst the most used wood products. That is the reason why the production of veneer plays an important role in the wood-products industry. For certain species, the peeling process requires the prior heating of round green-wood to temperatures ranging from 30 to 90 C. This treatment is necessary to increase wood deformability, to reduce the severity of lathe checking in the veneers and to reduce cutting forces. It is usually done by immersion in hot water or by steam treatment. However it has many disadvantages amongst which are the duration of treatment (12 to 72 hours), the washing out of polyphenolic extractives - which causes water pollution and can affect wood's natural durability - low yield and energy losses.The goal of this PhD thesis was to develop a heating system embedded on the peeling lathe to circumvent many of these disadvantages. Infrared technology appears to be the most promising solution because of the ease of integration into the peeling process and of the power it offers, enabling the required heating temperatures to be achieved quickly and follow the highly demanding peeling speeds in use in the industry (from 1 to 5 m.s-1). This new technology, using radiant energy to heat green-wood prior to peeling, would be a major innovation for the industries involved in the production of plywood, Laminated Veneer Lumber (LVL), etc.The plan to achieve this goal consisted of:- Creating a model of infrared heat transfer in green wood while peeling it, with the characteristics of wood (moisture content, thermal properties) being amongst the input variables,-Investigating the thermal and optical characteristics of green wood (in terms of penetration depth and infrared absorption by green wood) to feed the model,-Validating the model with experimental peeling tests assisted by an infrared heating system.One of the main outputs of this study was to demonstrate that the penetration depth of infrared radiation into green wood is limited to several tenths of micrometers. Heat transfer into green wood up to the cutting plane (located several millimeters underneath the surface) is by conduction, which is slow due to the insulating properties of wood. Heating green wood with infrared radiation is therefore unable to match the highly demanding peeling rates in use in the industry today. However, the use of an embedded heating system in the case of slicing and the potential impact on improving veneer quality (colour, surface quality) remain open for further research.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Estimation de la diffusivité thermique de composites C/SiC sous chargement mécanique

L'accès aux propriétés thermiques des matériaux composites thermostructuraux destinés aux applications nucléaires est un enjeu important pour prévoir leur comportement en condition d'utilisation. Dans un objectif prévisionnel mais également de compréhension des transferts de chaleur, ce travail s'intéresse à l'évaluation des diffusivités thermiques transverses de composites Cf/SiC soumis à un chargement mécanique de type traction. La démarche mise en place s'appuie sur l'utilisation de la méthode flash associée à une analyse du signal par thermographie IR permettant de générer des cartographies de propriétés

Quantitative thermal analysis of heat transfer in liquid–liquid biphasic millifluidic droplet flows

In this paper, infrared thermography is used to propose a simple quantitative approach toward understanding the thermal behaviour of a liquid–liquid biphasic millifluidic droplet flow under isoperibolic conditions. It is shown that due to the isoperibolic boundary condition, the thermal behaviour at the established periodic state can be managed according to different orders, i.e. either a continuous or fluctuating contribution. A complete analytical solution is proposed for the complex problem model, then a simplified model is proposed. Finally, a simple homogeneous equivalent thin body model approximation with a characteristic coefficient function of a biphasic flow mixing law is sufficient for describing the thermal behaviour of the media under isoperibolic conditions. From this theoretical validation, the experimental results concerning the behaviour of a biphasic oil and droplet flow are presented. An analytical representation law is proposed to quantitatively estimate and predict the thermal behaviour of the flow. Moreover, it is demonstrated that with this new method, the thermophysical properties of the phase can be estimated with a deviation less than 5% from that reported by the suppliers.The authors gratefully acknowledge Pierre Guillot and the microchemistry team at LOF for useful discussions, this paper is humbly dedicated to mCp

Fast sizing of the width of infinite vertical cracks using constant velocity Flying-Spot thermography

Constant Velocity Flying-Spot thermography consists in scanning the sample surface by a focused CW-laser spot moving at constant speed. This technique was designed to study large surfaces in short times. In this work, we propose a method, based on a Flying-Spot thermography setup, to size the width of vertical cracks by fitting the temperature profile along the line that contains the center of the laser spot and is perpendicular to the crack to its analytical expression. This method is also valid in the opposite configuration, where the laser spot remains at rest and the sample is moving at constant velocity. This configuration is useful for in-line inspection in factories, for detecting and sizing cracks in real time, without stopping the production chain. Experimental measurements on stainless steel samples containing calibrated vertical cracks confirm the validity of the method to measure the crack width with high accuracy, even for submicronic wide cracks.This work has been supported by Ministerio de Economía y Competitividad (DPI2016-77719-R, AEI/FEDER, UE), by Gobierno Vasco (PIBA 2018–15), by Universidad del País Vasco UPV/EHU (GIU16/33) and by Conacyt (Beca Mixta 2017 Movilidad en el extranjero)

Effet de l'endommagement mécanique sur les propriétés thermiques de composites à matrice céramique (approche multiéchelle)

Le travail exposé dans ce mémoire propose un examen, selon une approche multiéchelle, de la relation entre l évolution de l endommagement et la perte de conductibilité thermique de Compositesà Matrice Céramique. Les recherches sont menées à la fois sur le plan expérimental et sur le plan théorique. La démarche mise en oeuvre consiste à examiner deux échelles significatives (Microet Meso) auxquelles agissent des mécanismes d endommagement différents et à évaluer pardes techniques d homogénéisation l effet sur les propriétés thermiques effectives.Une attention particulière a été donnée à l élaboration d une démarche expérimentale approfondieassociant des moyens de caractérisation mécanique, thermique et microstructurale. Aux deuxéchelles étudiées, un banc expérimental a été conçu pour réaliser des mesures thermiques sur des CMC sollicités mécaniquement. La diffusivité thermique longitudinale du mini composite est estimée par thermographie à détection synchrone. Des variantes de la méthode flash en face arrière sont mises en oeuvre pour l étude du composite tissé. Par ailleurs, la progression de l endommagementest déduite de l enregistrement des signaux acoustiques et d observations microstructurales post-mortem. Les résultats expérimentaux sont systématiquement comparés à des simulations. A l échelle Micro, un modèle micromécanique est proposé afin de simuler la perte de conductivité thermique d un mini composite en traction. A l échelle Méso, une stratégie multiéchelle de calcul numérique de l effet de l endommagement sur les propriétés thermiques d un CMC tissé est présentée.In this work the relationship between the evolution of damage and the loss of thermal propertiesof Ceramic Matrix Composites is investigated by a multiscale approach. Research are conductedboth experimentally and theoretically. The implemented approach is to consider two significantscales (micro and meso) where different damage mechanisms are operating and then assess theeffect on the effective thermal properties by homogenization techniques.Particular attention has been given to the development of a thorough experimental work combiningvarious characterization tools (mechanical, thermal and microstructural). At the two aforementionedscales, an experimental setup was designed to perform thermal measurements onCMC under tensile test. Thermal diffusivity of minicomposites is estimated using Lock-in thermography.Also, tranverse diffusivity mapping as well as global in-plane diffusivity of woven CMCare determined by suitable rear face flash methods. The evolution of damage is then derived fromacoustic emission activity along with postmortem microstructural observations. Experimental resultsare systematically compared to simulations. At microscale, a micromechanical-based modelis used to simulate the loss of thermal conductivity of a minicomposite under tensile test. At mesoscale,a multiscale Finite ElementModel is proposed to compute the effect of damage on thermalproperties of woven CMC.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Thermal Camera-Based Fourier Transform Infrared Thermospectroscopic Imager

In this technical note, we present an advanced thermospectroscopic imager based on a Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometer and a thermal camera. This new instrument can image both thermal emission and multispectral absorbance fields in a few seconds at a resolution of 4 cm−1 or less. The setup is made of a commercial FT-IR spectrometer (ThermoFisher Nicolet iS50R) synchronized to an IR camera (indium antimonide and strained layer superlattice) as a detector to record the interferograms in each pixel of the images. A fast Fourier transform algorithm with apodization and Mertz phase correction is applied to the images, and the background is rationed to process the interferograms into the absorbance spectra in each pixel. The setup and image processing are validated using thin polystyrene films; during this processing, more than 1750 spectra per second are recorded. A spectral resolution equivalent to that of commercial FT-IR spectrometers is obtained for absorbance peaks valued less than two. The transient capability of the FT-IR thermospectroscopic imager is illustrated by measuring the heterogeneous thermal and absorbance fields during the phase change of paraffin over a few minutes. The complete mechanism of the thermochemical processes during a polymer solidification is revealed through the thermospectroscopic images, demonstrating the usefulness of such an instrument in studying fast transient thermal and chemical phenomena with an improved spectral resolution