Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : approches expérimentales et numériques

Doctorant : Julien MANNAH

Laboratoire INSA : GEOMAS - Géomécanique, Matériaux, Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

La technique de renforcement des sols par inclusions rigides (IR) a connu un développement rapide au cours des dernières années. Cette technique combine des inclusions rigides verticales traversant la couche de sol compressible et une plateforme de transfert de charge (PTC) installée entre l'ouvrage et les inclusions. Ces éléments transfèrent la charge vers des horizons porteurs en pied d'inclusions sans surcharger la couche de sol compressible. L'utilisation des plateformes de transfert de charge granulaires est courante dans les projets de renforcement du sol par inclusions rigides. Cependant, l'exploitation des ressources naturelles a fortement augmenté due à la croissance démographique et l'évolution du marché de la construction, d'où la nécessité de trouver des solutions alternatives afin de limiter la pression sur les ressources en matériaux granulaires. Dans ce contexte, un traitement de la couche supérieure du sol en place peut être envisagé afin de limiter le sol d'apport. Le projet national ASIRI « Amélioration des sols par inclusions rigides » a été mené en France entre 2005 et 2011 pour proposer des règles de mise en œuvre et de dimensionnement du renforcement de sol par IR. En 2019, un nouveau projet national (ASIRI+) a été initié pour compléter les recommandations ASIRI (2012) sur des sujets insuffisamment traités tel que celui des PTC en sol traité. Les travaux de la présente thèse intitulée « Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : Approches expérimentales et numériques » s'intègrent dans le cadre du projet national ASIRI+ et ont pour objectif d'apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes développés au sein des plateformes sur IR et de proposer de nouvelles règles de dimensionnement. Les moyens mis en œuvre sont expérimentaux avec des essais en laboratoire à échelle 1, des caractérisations des différents traitements et des ouvrages réels instrumentés. Ces moyens sont aussi numériques par la modélisation numérique de ces renforcements de sol calibrée sur les résultats des expérimentations. Enfin, un volet environnemental complète cette étude avec une analyse de cycle de vie (ACV) qui prend en compte les impacts environnementaux des PTC granulaires et traitées. Les essais de caractérisation en laboratoire montrent bien l'effet du traitement sur les résistances mécaniques du sol traité. Des essais de résistance à la compression, flexion, traction (essai brésilien) et au cisaillement (essais triaxiaux) sont réalisés pour évaluer les performances mécaniques du sol traité. Plusieurs essais à échelle 1 permettent de tester le comportement des PTC en sol traité sur inclusions rigides où un comportement assimilable à celui d'une dalle est observé. Deux modes de rupture « poinçonnement et flexion » sont observés dans ces essais. L'instrumentation montre que le transfert de charge dans les PTC traitées est immédiat contrairement au cas des PTC granulaires où les mécanismes de transfert de charge sont un peu plus progressifs. L'effet de la présence d'une plateforme de travail sous les PTC traitées est aussi évalué dans ces essais. Le modèle numérique développé permet d'évaluer à travers une étude paramétrique l'effet de différents paramètres sur l'efficacité en contrainte et en tassement du système. Le schéma du cône de cisaillement (ASIRI, 2012) représente le mieux les mécanismes de transfert de charge dans la PTC traitée. La diffusion de la contrainte est assimilée à un tronc de cône, issu de la tête de l'inclusion et formant un angle <p par rapport à la verticale. Cela a été vérifié numériquement, analytiquement et expérimentalement. L'ACV réalisée prend en compte les effets environnementaux des PTC granulaires et traitées et montre qu'une analyse multicritère est requise pour chaque projet de renforcement du sol afin d'évaluer l'impact environnemental global.

Intelligence artificielle pour optimiser le contrôle distribué des vibrations : Application aux réseaux de transducteurs dans les structures intelligentes.

Doctorante : Maryne FEBVRE

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux intelligents, comme les transducteurs piézoélectriques, sont devenus essentiels en ingénierie moderne pour des applications telles que le contrôle des vibrations, la récupération d'énergie et la propagation des ondes. Ces éléments multiphysiques permettent de développer des structures intelligentes adaptatives, capables d'interagir avec leur environnement, et de résoudre des problématiques liées à l'instabilité et à la fatigue des matériaux. Cependant, l'optimisation de ces systèmes devient de plus en plus complexe à mesure que le nombre de transducteurs et de paramètres ajustables augmente. Cette thèse explore l'optimisation du contrôle des vibrations dans les structures intelligentes à l'aide de l'apprentissage par renforcement profond (DRL pour Deep Reinforcement Learning). Plusieurs lois de contrôle actif ou passif sont appliquées aux transducteurs piézoélectriques. Le réglage de ces lois par DRL est comparé à des méthodes d'optimisation traditionnelles telles que le simplex et les algorithmes génétiques. L'efficacité est évaluée en termes d'atténuation des vibrations, de stabilité structurelle et de performance de calcul. Des analyses modales, à la fois numériques et expérimentales, sont effectuées pour valider la faisabilité du contrôle sur diverses structures, allant de modèles unidimensionnels basés sur des éléments finis à des réseaux complexes de transducteurs. Les résultats mettent en évidence l'efficacité du DRL pour ajuster des lois de contrôle en boucle fermée multi paramètres tout en tenant compte de fonction d'optimisation non linéaires incluant des contraintes de stabilité. Cependant, des défis tels que l'aléa dans l'entraînement et la divergence sont surmontés grâce à des stratégies basées sur la mémoire, renforçant la robustesse et l'adaptabilité aux variations environnementales. Ce travail fait progresser les méthodes basées sur l'intelligence artificielle pour le contrôle des structures intelligentes distribuées, établissant un lien entre les domaines de l'intelligence artificielle et des matériaux adaptatifs.

Traitement des eaux pluviales et des surverses de déversoir d'orage par filtres plantés à écoulement vertical avec aération forcée pour améliorer la qualité de l'eau

Doctorante : Daniella GONÇALVES PORTELA

Laboratoire : REVERSAAL - REduire Réutiliser Valoriser Les Ressources Des Eaux Résiduaires
École Doctorale : ED206 Chimie de Lyon

Les surverses de déversoir d'orage constituent des sources importantes de pollution aquatique et ont été efficacement traitées par les filtres plantés à écoulement vertical. Cependant, les performances du système en matière d'élimination des polluants dissous et des micropolluants peuvent être affectées par les caractéristiques des précipitations. C'est pourquoi deux filtres plantés à écoulement vertical (CSOA et CSOB) , équipés d'un nouveau design avec aération forcée et d'une couche saturée d'environ un mètre ont été testés sur une période d'un an et demi. Le CSOA utilisait du gravier comme couche de filtration supérieure, tandis que le CSOB utilisait du sable et une couche de transition. Des traçages ont été effectués pour évaluer leur hydrodynamique. Les stratégies d'aération ont été testées dans le CSOA et la stratégie d'aération optimale a ensuite été testée sur les deux filtres pour comparaison, et les effets des charges organiques et hydrauliques variables ont également été évalués. Les paramètres globaux de qualité de l'eau et les micropolluants ont été mesurés à l'entrée et à la sortie, tandis que le potentiel redox et les concentrations en oxygène ont été surveillés en ligne. Quelques échantillons d'indicateurs fécaux (FI) ont été prélevés. Les résultats indiquent que l'aération a augmenté le temps de résidence et l'agitation dans les filtres. Dans des conditions fortement aérées, les polluants dissous, tels que la DCO dissoute et NH4-N, ont été efficacement éliminés. Cependant, l'observation de taux de nitrification plus élevés indique que la transformation du NH4-N en N03-N pendant l'alimentation dépendait fortement de l'accumulation d'azote lors des essais précédents. Enfin, les micropolluants, y compris certains produits chimiques industriels fréquemment présents dans l'influent, peuvent être éliminés dans le filtre. Cependant, l'aération n'a pas été un facteur clé pour l'élimination des micropolluants et des FI, contrairement à l'élimination des polluants dissous.

Analyse de la robustesse de HEMT GaN 650 V durant des courts-circuits répétitifs

Doctorant : Adrien LAMBERT

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Depuis les années 1950, l'électronique de puissance s'est développée grâce au silicium, qui est devenu le matériau dominant pour les semi­ conducteurs de puissance. Le silicium a en effet prouvé sa fiabilité, est facile à purifier et, après des décennies de réduction des coûts, est devenu très abordable. Cependant, après cinquante ans d'améliorations, les limites physiques du silicium ont été atteintes et ne répondent plus aux besoins des nouvelles applications, comme des fréquences de fonctionnement plus élevées et une puissance accrue. Les matériaux à large bande interdite (WBG), tels que le diamant, le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ont émergé pour relever ces défis. En dépit d'une grande vitesse de commutation et d'une conductivité thermique accrue, les composants GaN doivent démontrer leur robustesse et leur fiabilité, notamment face aux courts-circuits, pour être largement adoptés dans des secteurs tels que l'automobile et l'aéronautique. L'étude des courts­ circuits a commencé il y a quelques années avec les premiers travaux observés en 2013. Cependant, les études restent limitées à plusieurs égards. La technologie normalement bloquée des composants p-GaN et cascade a été étudiée presque exclusivement et les tensions les plus élevées n'ont pu être atteintes qu'au prix de concessions (environnement surchauffé, augmentation de la résistance de grille). La littérature est inexistante pour la technologie normalement passante. De plus, les études actuelles se concentrent principalement sur la robustesse des composants face à un unique court-circuit destructif et sur le temps avant défaillance. Plutôt que de réaliser des courts-circuits destructifs, avec une analyse du composant d'autant plus difficile une fois celui-ci détruit, il a été décidé de réaliser des courts-circuits répétitifs et non destructifs. Ces courts-circuits sont entrecoupés de caractérisations électriques afin d'identifier les variations paramétriques et de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de défaillance. L'étude des dommages induits constitue donc un point clé et contribuera à la conception de puces plus robustes face aux courts­ circuits. Deux fournisseurs de composants GaN de 650 V ont été sélectionnés, incluant des composants normalement passants et normalement bloqués. Un banc d'essai de courts-circuits spécifiquement conçu pour les composants GaN HEMT de 650 V a ainsi été développé. Il se compose de trois parties : une carte mère d'alimentation, une carte tille pour le composant, et une carte de commande. Un sarcophage a été conçu par impression 3D. Il maintient le composant par pression sur la carte tille et élimine la nécessité de souder les composants, réduisant ainsi les contraintes thermiques sur la carte lors des soudures et dessoudures successives. Cependant, la tâche s'est avérée plus ardue que prévu. Malgré les soins particuliers apportés au routage et à la compacité des cartes électroniques, dans le but de réduire l'inductance de boucle, les premiers tests n'étaient pas du tout concluants. Le banc expérimental a par conséquent dû être considérablement revu et optimisé. Une simulation SPICE a été développée pour aider à mieux comprendre les phénomènes parasites. La réduction des courants de mode commun a été d'une importance primordiale, grâce à l'utilisation de sondes appropriées ou de tores de ferrites. Plusieurs versions du banc d'essai ont été conçues afin obtenir des résultats pertinents en termes de stabilité et conformité en vue des futures normes JEDEC pour les tests de courts-circuits. Différentes variations paramétriques et dynamiques ont été observées. En outre, des composants de même structure et aux caractéristiques similaires, mais provenant de différents fournisseurs, ont donné des résultats sensiblement différents en termes de stabilité et de robustesse face aux courts-circuits. Des hypothèses explicatives ont été formulées à la fin de la thèse.

Mise en forme de polymères multi-micro-nanocouches par un procédé innovant de coextrusion gonflage/ matériaux aux propriétés barrières et optiques améliorées, éco-conçus pour une meilleure recyclabilité

Doctorant : Lazaros VOZIKIS

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED34 - Matériaux

Ce travail de recherche a été mené dans le cadre du projet Thèse CIFRE en collaboration avec le CT-IPC. Le projet se concentre sur le développement et la validation d'une technologie innovante de filière gonflage qui comble une lacune critique dans la littérature. Bien qu'il existe déjà un grand nombre de recherches sur la coextrusion à plat, la coextrusion gonflage reste sous-explorée. Obtenir des épaisseurs de couche de l'échelle micro au nano, tout en maintenant l'intégrité des couches, s'est avéré particulièrement difficile. L'objectif de ce travail est la conception d'une filière de coextrusion gonflage capable de produire des films, avec des propriétés barrières et optiques améliorées, tout en améliorant leur recyclabilité, ce qui présente un défi majeur dans le domaine des matériaux d'emballage. Contrairement aux systèmes conventionnels, la nouvelle filière développée dans ce travail permet la création de films à un nombre de couches élevé, garantissant l'intégrité des couches même à l'échelle micro-nano. Une autre avancée de cette filière est sa capacité à augmenter le nombre de couches sans prolonger le temps de séjour dans le procède car elle ne nécessite pas l'addition d'un élément multiplicateur supplémentaire. Le risque de dégradation thermique peut ainsi être minimisé. La nouvelle technologie de filière peut facilement être combinée avec les configurations de coextrusion à plat, ce qui la rend très polyvalente. Ces innovations permettent non seulement la production de films avec des centaines ou milliers de couches, mais améliorent également la stabilité du processus. Un élément clé de cette étude a consisté à démontrer qu'en utilisant la coextrusion à assemblage forcé avec la nouvelle filière de gonflage, les performances barrière des films multicouches pouvaient être considérablement améliorées sans augmenter la quantité d'éthylène-alcool vinylique (EVOH). Bien que cette stratégie ait été largement étudiée et validée dans les procédés de coextrusion à plat, son application à la coextrusion gonflage est limitée. De plus, le besoin des liants pour assurer l'adhésion entre les couches est éliminé, ce qui améliore encore la recyclabilité des films. Ceci est particulièrement important pour l'économie circulaire, car cela simplifie le processus de recyclage en réduisant la complexité des matériaux. Cette recherche a également abordé la question critique de la stabilité du processus en développant des cartes de stabilité et en effectuant des analyses rhéologiques approfondies. Les premières étapes ont consisté à évaluer la stabilité de l'écoulement par coextrusion à plat, où les défis sont souvent aggravés lors de la coextrusion de polymères ayant des propriétés rhéologiques différentes. Après l'évaluation de la fenêtre de processabilité par coextrusion à plat, la présente étude fournit une analyse complète des paramètres requis pour assurer la stabilité lors de la coextrusion gonflage. Les paramètres critiques tels que le taux de gonflage (BUR) et le taux de tirage (TUR) jouent un rôle crucial dans l'obtention de films multicouches stables et sans défaut. Des cartes de stabilité ont été développées pour définir la processabilité et, en association avec l'analyse rhéologique, des fenêtres de processabilité optimales ont été déterminées. En résumé, cette thèse présente une étude approfondie de la conception, du développement et d'élaboration des films multicouches par une nouvelle technologie de filière gonflage. La capacité de produire des couches à l'échelle micro-nano avec une stabilité améliorée, des propriétés barrières et optiques améliorées et une meilleure recyclabilité représente une avancée significative dans la technologie des films multicouches. En se concentrant sur la réduction des coûts des matériaux et l'amélioration de la recyclabilité, le présent travail ouvre la voie à des matériaux d'emballage de nouvelle génération plus efficaces et plus respectueux de l'environnement.

Fabrication additive par frittage de matériaux métalliques biodégradables Mg-Zn pour implants orthopédiques.

Doctorant : Julien MOREAU

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages de magnésium (Mg) apparaissent comme des matériaux prometteurs pour les applications biomédicales en raison de leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leurs propriétés mécaniques favorables. Cependant, leur dégradation rapide dans des environnements aqueux ont freiné leur utilisation à grande échelle. Cette étude explore l’incorporation de zinc (Zn) et de zirconium (Zr) comme éléments d’alliage afin d’améliorer la résistance à la corrosion. L’objectif principal de cette thèse est la conception d’alliages, en utilisant des procédés de fabrication par métallurgie des poudres et des modifications microstructurales grâce à des traitements de vieillissement. Ces modifications ont été suivies par des mesures de dureté et de puissance thermoélectrique, avec pour but ultime d’obtenir un taux de dégradation contrôlé et prévisible dans des environnements physiologiques. Des alliages Mg-Zn-Zr de haute pureté ont été fabriqués par Spark Plasma Sintering (SPS), en accordant une attention particulière aux effets des paramètres de frittage sur la couche d’oxyde native entourant les particules de poudre d’alliage de magnésium. Les propriétés mécaniques des pièces denses obtenues ont été évaluées afin de déterminer les températures optimales de fabrication. Les propriétés des matériaux ont été caractérisées à l’aide de différentes techniques, notamment la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS), la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (SEM), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), la micro-indentation, les mesures de polarisation potentiodynamique et les études de dégradation in vitro. Les traitements thermiques des alliages ont favorisé la formation de précipités, qui se sont révélés bénéfiques pour la résistance à la corrosion lorsque leur taille et leur distribution étaient correctement maîtrisées. Un autre aspect essentiel de cette étude concerne l’utilisation de la fabrication additive (AM) pour les alliages de magnésium. Outre la personnalisation qu’elle permet dans le domaine médical, l’AM facilite la création de structures cellulaires avec une porosité contrôlée. Ces structures permettent de moduler les propriétés mécaniques tout en favorisant l’invasion cellulaire, un facteur clé en ingénierie tissulaire. Les pièces ont été produits par robocasting, un procédé d’extrusion couche par couche utilisant une pâte composée de poudre et de liant. Ces structures ont ensuite été déliantées et frittées pour atteindre leurs propriétés finales. Bien que le frittage des alliages de magnésium présente des défis importants, l’utilisation du frittage en phase liquide et d’un creuset en labyrinthe a permis d’atteindre le frittage des pastilles pressées et des pièces imprimés. En résumé, cette thèse présente le développement d’un alliage biodégradable Mg-Zn-Zr conçu pour des applications orthopédiques. Les propriétés mécaniques et de corrosion ont été optimisées grâce à la fabrication de pièces denses par SPS, et une méthode de robocasting pour les alliages de magnésium a été développée, ouvrant la voie à des implants biodégradables imprimés en 3D.

Comportement non-linéaire des pieux sous séisme : Développement d'un élément fini biphasique

Doctorant : Thomas LHERMITTE

Laboratoire INSA : GEOMAS - Géomécanique, Matériaux, Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'interaction entre le sol et la structure est déterminante pour le comportement sismique des ouvrages fondés sur pieux. Elle implique à la fois le comportement du sol, de la fondation et de la superstructure. L'échelle du problème est donc significative. Prendre en compte les non-linéarités lors du dimensionnement nécessite des modèles détaillés. Une approche de modélisation directe peut s'avérer coûteuse en temps de calcul ainsi qu'en mémoire. Bien que des méthodes simplifiées existent, certaines hypothèses peuvent être limitantes lorsqu'il s'agit de prendre en compte simultanément : les non-linéarités matérielles se développant dans le sol et dans la fondation, l'effet d'interaction de groupe de pieux, et des stratigraphies hétérogènes. L'objectif de ce travail est de condenser les non-linéarités du sol et du pieu tout en conservant une description de ces non-linéarités dans la hauteur du pieu. La non-linéarité du sol est condensée à l'interface entre le sol et le pieu, matérialisée par la fibre moyenne de ce dernier, tandis que la non-linéarité du pieu est modélisée par une approche multi-fibres. L'outil développé prend la forme d'un nouvel élément fini innovant utilisant une approche dite« biphasique ». Cette dernière permet de décrire une interaction continue entre la phase "sol" et la phase "pieu". Les non-linéarités étant condensées au sein de l'élément fini biphasique, le comportement du sol dans un groupe de pieux peut être intégré au moyen des matrices d'impédances générées préalablement par sous-structuration. Ceci permet une économie du nombre de degrés de libertés du système. Deux lois d'interaction sol-pieux ont été développées: l'une basée sur une formulation élasto-plastique et l'autre sur une formulation hypo-plastique. Divers éléments finis biphasiques, avec différentes fonctions de forme et degrés d'interpolation sont premièrement développé et validés sous MATLAB puis implémentés dans le Code_Aster. Les éléments sont validés en statique puis en dynamique par comparaison à des résultats issus de la littérature. Cette recherche est menée dans le cadre d'un contrat CIFRE avec la société Stabilis.

 

Estimation d'un changement de repère variable entre deux plateformes inertielles appliquée aux Satcom On-The-Move

Doctorante : Laetitia TOSONI 

Laboratoire INSA : Ampère

École doctorale : Automatique

Travaux de thèse dirigés par Monsieur Minh Tu PHAM et Monsieur Paolo MASSIONI 

Composition du jury proposé : 

M. Minh Tu PHAM	INSA Lyon	Directeur de thèse
Mme Christine PRELLE	UTC	Rapporteure
M. Sébastien CAUET	Université de Poitiers	Rapporteur
M. Paolo MASSIONI	INSA Lyon	Co-directeur de thèse
M. Stéphane CARO	CNRS - LS2N	Examinateur
Mme Caroline KULCSÁR	Institut d’Optique Graduate School	Examinatrice

Mots- clés : Transfert d'alignement, Estimateur temps réel, Satcom On The Move, Stabilisation inertielle, Filtre de Kalman

Résumé :
La communication moderne exige à la fois un débit de données important et une large couverture géographique. La communication par satellite (Satcom) répond à ces deux besoins, mais exige que l’antenne soient dirigée vers le satellite visé pendant toute la durée de la communication. Dans le cas d’une application mobile dite SOTM (Satcom On-The-Move), l’antenne est montée sur un système mécatronique permettant de maintenir un pointage correct malgré les mouvements du véhicule porteur. Ce système mécatronique doit être asservi, ce qui exige le calcul d’une consigne de position. Plusieurs méthodes existent pour calculer cette consigne. Certaines utilisent un signal en provenance du satellite, mais elles sont alors dépendantes de la disponibilité de ce signal. D’autres utilisent des calculs géométriques basés sur des informations inertielles fournies par des capteurs embarqués sur la station SOTM, mais certaines inconnues dans la géométrie du système dégradent la précision du calcul au-delà des exigences de pointage. Ces inconnues peuvent être contournées si le véhicule porteur est équipé d’une centrale inertielle : le problème se ramène alors à une question d’estimation de changement de repère entre deux plateformes inertielles ; une se situant sur le véhicule porteur, l’autre se situant au niveau de l’antenne. Le transfert d’alignement est une méthode efficace pour estimer un changement de repère entre deux plateformes, mais il est traditionnellement appliqué à des changements de faible amplitude et invariants dans le temps. Dans le cas de changements de repères de grande amplitude, les modèles utilisés sont presque exclusivement non-linéaires. Dans le cadre de ces travaux de thèse furent développés deux algorithmes de transfert d’alignement destinés à l’estimation de changements de repères d’amplitude arbitraire et variables dans le temps. Le premier, basé sur un modèle de mesure tiré de la littérature, utilise des mesures de vitesse longitudinale et d’attitude, une combinaison classique dans le domaine du transfert d’alignement. Le second utilise des mesures de vitesses angulaires et d’accélérations longitudinales, des variables peu utilisées dans ce domaines mais plus appropriées au matériel imposé par une application aux SOTM. Un modèle de propagation original, applicable aux deux cas de figure, est ici proposé. Une représentation d’attitude en quaternions a été choisi afin de garantir la linéarité des modèles utilisés. Les algorithmes développés ont été testés en simulation et en expérimentation sur banc de test. Des métriques appropriées ont été définies afin d’analyser les performances des algorithmes et de déterminer les sources d’erreurs pouvant les impacter.

Pollutions causées par les inondations urbaines : Modélisation expérimentale du transport de polluants issus de déversements locaux

Doctorant : Clément FAGOUR

Laboratoire : INRAE Riverly Fonctionnement des hydrosystèmes

École doctorale : ED 162 MEGA

Travaux de thèses dirigés par Monsieur Emmanuel MIGNOT et Monsieur Sébastien PROUST 

Composition du jury proposé : 
M. Sébastien PROUST    INRAE    Co-directeur de thèse
M. Philippe GOURBESVILLE    Université Côte d'Azur    Rapporteur
M. Emmanuel MIGNOT    INSA Lyon    Directeur de thèse
M. Koen BLANCKAERT    Vienne University of Technology    Rapporteur
Mme Lylia KATEB    CEA Cadarache    Examinatrice
M. Pietro SALIZZONI    École Centrale de Lyon    Examinateur

Mots-clés : advection,mélange,dispersion,diffusion turbulente,laboratoire,risque sanitaire

Résumé :
Les pollutions causées par les inondations urbaines s’inscrivent dans une problématique largement négligée par la sphère scientifique et celle des gestionnaires, contrairement à d’autres risques déjà bien étudiés (déstabilisation et entraînement des véhicules, du mobilier urbain, des bâtiments, des piétons). Notamment, l’effet des processus hydrodynamiques complexes dans un réseau de rues inondées sur le transport de polluant a été très peu étudié. Cette thèse s’attache donc à explorer le transport de polluants issus de déversements locaux, représentant principalement des matières chimiques ou biologiques présentes dans les eaux de ruissellement à la surface des rues et susceptibles de pénétrer dans les bâtiments, au plus près des habitants. Ce travail s’appuie sur des expériences de laboratoire conduites sur un modèle urbain représentant un réseau de rues très simplifié et à échelle réduite. Nous explorons un écoulement d’inondation en régime stationnaire, déjà étudié dans des travaux précédents. L’originalité de cette thèse réside donc dans l’étude du transport d’une pollution dans cet écoulement. Pour cela, nous mesurons les débits massiques et les champs de concentration au sein des rues, au sein d’un îlot urbain percé d’ouvertures, ainsi qu’en sortie du réseau de rues, à partir de techniques de mesure par conductimétrie et colorimétrie. Le premier objectif de la thèse est d’identifier les effets prédominants de l’hydrodynamique sur ce transport ainsi que l’influence du lieu de rejet sur la répartition de polluant dans les différentes rues. Le deuxième objectif de la thèse est d’identifier les paramètres qui gouvernent la dynamique d’une eau polluée introduite par des ouvertures dans un îlot urbain, en faisant varier le nombre d’ouvertures de cet îlot ainsi que la durée de rejet de pollution. Les principaux résultats de cette thèse sont alors (i) la distribution des débits massiques de polluant dans les différentes rues diffère de celle des débits d’eau, à la fois dans les rues et en sortie du réseau de rues. Cela s’explique par un mode de transport de polluant qui est spatialement hétérogène dans le réseau de rues. On constate que le mélange le plus intense a lieu dans les rues en aval des intersections. La diffusion turbulente et la dispersion par les courants secondaires y sont les deux modes de mélange dominant et contribuent toutes deux à l’homogénéisation de la concentration de polluant. Aux intersections, le transport des polluants est principalement causé par l’advection dans les directions longitudinale et transversale. Les panaches de polluant se fusionnent ou se séparent simplement, suivant les lignes de courant de l’écoulement moyenné en temps. En conséquence, (ii) la distribution des polluants dans le réseau de rues est très sensible à la position exacte du rejet par rapport à la position des lignes de division des bifurcations et carrefours de rues. (iii) Un modèle simplifié est proposé pour décrire et prédire la distribution de polluant aux intersections, et sa précision dépend de la capacité à localiser précisément les lignes de division. (iv) Dans le cas d’un îlot urbain (pâté de maison) poreux, le nombre d’ouvertures influence fortement les concentrations maximales atteintes au sein de l’îlot urbain, ainsi que les temps de remplissage et de résidence, ainsi que les variations spatio- temporelles des concentrations. (v) La durée de remplissage initial joue un rôle important sur le temps de vidange de l’eau polluée suite à l’arrêt de la source de pollution. En revanche, le taux de renouvellement de la pollution ou de l’eau claire est constant, indépendamment de la durée de remplissage, et est piloté exclusivement par l’hydrodynamique de l’îlot urbain poreux. (vi) Une adaptation du modèle de zone morte agrégée est enfin proposée pour valider la possibilité d’ajustement des concentrations moyennées spatialement dans l’îlot.

« Etude électrochimique du comportement semi-conducteur des couches d’oxydes sur aciers inoxydables »

Doctorant : Clément PIERRE

Laboratoire : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse se concentre sur la compréhension et la modélisation des mécanismes de corrosion des aciers inoxydables en milieu aqueux, en particulier l’impact de la couche passive sur la cinétique d’oxydo-réduction (ou réactivité) d’un couple redox à sa surface. L’étude bibliographique montre que la réduction des couples redox est plus lente sur un acier passif que sur un matériau noble, probablement en raison du caractère semi- conducteur de la couche d’oxydes rendant plus difficile le passage des électrons de l’acier vers l’interface oxyde-solution où se déroule la réaction de réduction. Cependant, aucun consensus n’existe sur la relation entre ces propriétés et la réactivité de surface. Ce travail combine une approche expérimentale et une modélisation pour approfondir ce lien.
Sur le plan expérimental, des mesures électrochimiques ont été effectuées sur deux aciers industriels utilisés dans le recyclage du combustible nucléaire. Une étape préliminaire a permis de définir les conditions expérimentales (couple redox, pH, etc.) et d’étudier la stabilité du film passif. Les résultats montrent que, dans le domaine cathodique, la pente locale (liée au coefficient de transfert de charge cathodique (αc) varie selon la polarisation et les tendances diffèrent entre chaque acier. Des analyses chimiques (XPS) et des études des propriétés semi-conductrices (Mott-Schottky) ont montré que, bien que les compositions chimiques des couches d’oxydes soient différentes, les caractéristiques de semi-conduction sont similaires.
Enfin, une simulation avec le Diffusion Poisson Coupled Model (DPCM) a été réalisée. Ce modèle a permis de simuler des expériences de Mott-Schottky et des courbes courant- tension, reproduisant les variations de αc observées. Pour ces dernières simulations le DPCM permet d’attribuer le comportement observé à la variation de la concentration en électrons disponibles à l’interface oxyde solution avec la polarisation.