Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Doctorant : Félix SCHMITT

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT- CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.

Nanostructures d’oxydes métalliques et les études de leur application dans la conversion d'énergi

Maître de conférences : Alexandra Apostoluk

Laboratoire INSA : Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL UMR CNRS 5270)

Rapporteurs :

• Kaminski-Cachopo Anne, Professeure des universités
• Mizera Jaroslaw, Professeur des universités
• Rinnert Hervé, Professeur des universités

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
Mme	Andraud Chantal	Directrice de recherche CNRS	ENS de Lyon, Laboratoire de Chimie, UMR CNRS 5182
M.	Danièle Stéphane	Professeur des universités	CPE Lyon, CP2M-ESCPE LYON UMR CNRS 5128
Mme	Kaminski-Cachopo Anne	Professeure des universités	INP Phelma Grenoble, Centre de Radiofréquences, Optique et Micro-nanoélectronique des Alpes, UMR CNRS 5130
M.	Masenelli Bruno	Professeur des universités	INSA Lyon, INL UMR CNRS 5270
M.	Mizera Jaroslaw	Professeur des universités	Warsaw Uniwersity of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, Pologne
M.	Rinnert Hervé	Professeur des universités	Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, UMR CNRS 7198

Molecular dynamics simulation of semicrystalline polymers: from molecular topology to mechanical properties

Doctorant : Junxiong WANG

Laboratoire INSA : MateiS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Semi-crystalline polymers have attracted widespread attention due to their wide range of industrial applications, attractive mechanical properties, and good chemical resistance. Semi-crystalline polymers exhibit excellent mechanical properties due to their unique molecular structure (crystalline and amorphous phases overlapping each other). Topological molecules, like ties, loops, … and entanglements in amorphous phase, serve as stress transmitters and can be crucial to mechanical properties. However, these microstructures cannot be studied quantitatively experimentally, and the nonequilibrium process of crystallization and how the microstructure affects mechanical properties cannot be studied at the nanoscale. The dependence of the mechanical properties of semi-crystalline polymers on topology and entanglement has been explored using a coarse-grained model through molecular dynamics simulations. From cooling a melt, and after isothermal treatment, semi-crystalline polymers with lamellar structures were obtained with different entanglement densities and topologies. The strongest mechanical properties are shown when the tensile direction is highly consistent with the crystal chain orientation. And the system with a higher entanglement density has a smaller yield stress but a significant stress-hardening regime, indicating that high entanglement density effectively increases the stress-hardening effect. Additionally, the effect of different topologies on mechanical properties has been explored. Uniaxial tensile test results show that cilia have little effect on mechanical properties. The yield stress increases with the number of loops, showing that not only the loops but also the number of topologies has a strong influence on the mechanical properties. The tie molecules appear to have a slightly greater impact on the mechanical properties than the loops, manifesting in a slight strain softening effect. These results will enhance the understanding of the relationship between microstructure and mechanical properties of semicrystalline polymers.

New Approaches for the Construction of Ternary Solute/Solvent/Non-solvent Phase Diagrams and Applications in the Field of Nanoprecipitation

Doctorante : Yiping CHEN

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Nanoprecipitation (or solvent-displacement, Ouzo effect) process is a promising technique for straightforwardly producing colloids of controlled dimensions without recourse to surfactants or any high shearing force systems. Successful applications of the nanoprecipitation process crucially rely on the ability to construct the phase diagrams for the solute/solvent/nonsolvent ternary system of interest by identifying regions (SFME, Ouzo domain…) where the hydrophobic solute aggregates at the nanometer scale. Therefore, the main aim of this thesis is to develop robust methods to construct phase diagrams, to attempt at enlarging the Ouzo domain through cautiously-chosen additives, and finally to use thus constructed phase diagrams for precipitation of novel molecules, targeting potential applications in the biological field.
Combined fluorescence microscopy (FM) and dynamic light scattering (DLS) techniques were first used to construct phase diagrams containing pyrene as fluorescent indicator and surfactants as stabilizers in oil/solvent/water systems, respectively. It has been found that under the micrometer resolution FM, the pyrene-loaded nanodispersions appear black in the Ouzo domain (owing to their nanoscale dimensions). In DLS tests, adding a non-ionic surfactant, the Ouzo domain showed a monodisperse peak, with dI > dN and PDI < 0.15. Remarkably, the Ouzo domain identified by DLS was slightly larger than that obtained by FM owing to the introduction of surfactants. In a second approach, using the DLS technique, we studied the effect of adding specific surfactants (Brij 56, Enordet J3131, Cremophor EL) on the nanoprecipitation process. With miglyol oil, the Ouzo limit was shifted up to two decades, significantly enhancing the Ouzo domain. Finally, solid molecules such as antibiotics and fluorophores were used as solutes for nanoprecipitation. One specific antibiotic showed similar efficacy against various bacteria in molecular state or under nanoparticle form in vitro testing. Nanodispersions of high Tg fluorophores keep a good colloidal stability over a long period, and maintain their fluorescence activity upon dilution, making them good candidates as biomarkers.

Tribological study of metallic glasses and in situ temperature measurement by luminescence thermometry

Doctorant : Zhijian ZHOU

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les verres métalliques reçoivent de plus en plus d'attention dans le domaine de la tribologie en raison de leur structure amorphe unique et de leurs propriétés mécaniques supérieures. Des études ont montré que, dans certaines conditions, la performance tribologique des verres métalliques peut surpasser celle des alliages traditionnels. Pour obtenir une compréhension plus complète de la manière dont les verres métalliques répondent à différentes conditions expérimentales, cette thèse commence par examiner le comportement tribologique et les mécanismes de frottement des verres métalliques à base de Ni et de Zr sous diverses pressions. Cependant, il a été noté dans la communauté que les propriétés mécaniques des verres métalliques deviennent très sensibles à la température près de leur température de transition vitreuse, qui varie largement en fonction de la composition. Ce phénomène influence les propriétés tribologiques du matériel. La mesure précise de la température locale dans les contacts tribologiques a historiquement été un défi. L'avènement de micro-sondes luminescentes sans contact a ouvert de nouvelles voies pour des mesures de température précises et non invasives en tribologie. Cette thèse applique par la suite une méthode de mesure de la température basée sur le temps de vie de la luminescence émise par des centres de défauts S3 excités à l'intérieur de micro-diamants aux contacts tribologiques secs des verres métalliques, en passant par toutes les étapes, y compris la fabrication de micro- sondes, la construction de bancs expérimentaux, le traitement des données, la comparaison avec thermocouple, la simulation utilisant la Méthode des Éléments Finis. Cette technique a le potentiel de mesurer avec précision la température dans les systèmes tribologiques.

Exact and anytime heuristic search for the Time Dependent Traveling Salesman Problem with Time Windows

Doctorant : Romain FONTAINE

Laboratoire INSA : CITI

École doctorale : ED512 Informatique Et Mathématiques de Lyon

Le problème du voyageur de commerce (TSP, pour Traveling Salesman Problem) dépendant du temps (TD, pour Time Dependent) est une généralisation du TSP qui permet de prendre en compte les conditions de trafic lors de la planification de tournées en milieu urbain : les temps de trajet varient en fonction des horaires de départ au lieu d'être constants. Le TD-TSPTW généralise ce problème en associant à chaque point de passage une fenêtre temporelle (TW, pour Time Window) qui restreint les horaires de visite. Les approches de résolution exactes telles que la programmation linéaire en nombres entiers ou la programmation dynamique passent mal à l’échelle, tandis que les approches heuristiques ne garantissent pas la qualité des solutions obtenues.

Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche exacte et anytime pour le TD- TSPTW visant à obtenir rapidement des solutions approchées puis à les améliorer progressivement jusqu'à prouver leur optimalité. Nous montrons d'abord comment rapporter le TD-TSPTW à une recherche de meilleur chemin dans un graphe états- transitions. Nous décrivons ensuite des algorithmes permettant de résoudre ce problème en nous concentrant sur les extensions exactes et anytime d'A*, et en proposons une nouvelle par hybridation. Nous montrons comment combiner ces algorithmes avec de la recherche locale — afin de trouver plus rapidement de meilleures solutions — ainsi qu'avec des bornes et de la propagation de contraintes de TW — afin de réduire la taille de l'espace de recherche. Enfin, nous fournissons des résultats expérimentaux visant à
(i) valider nos principaux choix de conception, (ii) comparer notre approche à l'état de l'art en considérant des benchmarks ayant différents degrés de réalisme et différentes granularités temporelles et (iii) comparer ces approches TD à de récents solveurs pour le TSPTW dans le cas constant. Ces résultats montrent que notre approche apporte un bon compromis entre le temps nécessaire pour (i) trouver de bonnes solutions et (ii) trouver des solutions optimales et prouver leur optimalité, aussi bien dans le cas TD que dans le cas constant.

Impact of the viscoelastic properties of the 3D environment on the fate of artificial stem cell spheroids

Doctorant : Lucas LEMARIÉ

Laboratoire : LBTI
École doctorale : ED205 : EDISS (Interdisciplinaire Sciences-Santé)

Le sujet de thèse porte sur l’évaluation de la production de sphéroïdes de cellules humaine iPS aux différentiations induites par les propriétés viscoélastiques de l’environnement 3D. Pour ce faire, différents hydrogels d’alginate-gélatine (3 formulations, à la rigidité significativement différente) ont été préparés et après inclusion de sphéroïdes d’hiPSC, chaque hydrogel est bioimprimé (par microextrusion) et maintenu dans un milieu de culture (DMEM) dépourvu de facteur de croissance. Après 2 semaines de maturation en incubateur, les échantillons sont caractérisés afin mettre en évidence l’impact des propriétés viscoélastiques de ces matrices d’alginate-gélatine sur le devenir des cellules souches.

Métrologie des techniques de microscopie à sonde locale micro- onde appliquées aux mesures de transport dans le domaine des semiconducteurs

Doctorant :  Damien RICHERT

Laboratoire INSA : INL

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

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électrique à l’échelle submicrométrique. Le Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, tangente d’angle de perte et concentration de dopant), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie de la mesure électrique utilisant un VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est calibré, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la calibration Short- Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence. L’un des résultats clé de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontra que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0.3; 9.8 fF) est inférieure à 2.8 %. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence fut proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1.9 %. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM calibré est inférieure à 3 %. Un cas d’application est l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 10.6 %. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur la calibration du SMM fut étudiée empiriquement et par simulation numérique. Le RH impacte la calibration à hauteur de 0.4 % pour les capacités de 0.3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz furent acquise par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employé.

Development of Ti-based bulk metallic glasses for dental applications through innovative design strategy, process optimisation and surface functionalisation

Doctorant : Yohan DOUEST

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Due to their long-range disordered atomic structure, Ti-based bulk metallic glasses (BMGs) exhibit at least twice the mechanical strength of crystalline Ti-alloys currently used in dental implant applications. Ti-based BMGs are therefore candidate materials to downsize dental implant components and reduce their invasiveness. Although numerous research works have emphasised their potential, no commercial products have been made available. Several aspects hinder their practical application. Firstly, they generally contain high amount of copper. Apart the controversy regarding its biological safety, copper has been shown to trigger pitting corrosion in chloride environment of amorphous alloys, thereby limiting their corrosion resistance. Secondly, Ti-based BMGs are challenging to process. Because of their restricted glass forming ability (GFA), they are more prone to the formation of crystalline heterogeneities even when high cooling rates are applied.
This PhD investigates independent research areas related to Ti-based BMGs, ranging from designing strategies and processability to surface functionalisation. At first, a machine learning (ML) model is employed to explore compositional spaces with reduced amount of copper within the Ti-Zr-Cu-Pd system. The model’s predictions are experimentally assessed, and a critical discussion is provided on the relevance of the ML-guided approach. Secondly, the processability of Ti40Zr10Cu36Pd14, a representative composition of Ti-based BMGs, is evaluated. Processing techniques from both laboratory and industry are compared, and the resulting as-cast crystalline heterogeneities are studied to give insights into their formation pathways. Lastly, two surface modifications aimed at reducing the influence of copper on the corrosion resistance of Ti40Zr10Cu36Pd14 are proposed. One solution involves the deposition of coating already used in dental implant systems while the second solution consists of a chemical etching treatment. The results obtained within this PhD aim to contribute both scientific and industrial advancements, while also suggesting new research topics.

Biofloculation dans les procédés à boues activées : rôle des substances polymériques extracellulaires

Doctorante : Zoé FAU

Laboratoire INSA : REVERSAAL

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les procédés à boues activées sont couramment employés pour traiter les eaux usées domestiques. La mise en œuvre de procédés forte charge ou densifiés peut permettre de diminuer leur demande énergétique et valoriser les polluants de l’eau usée mais nécessite une meilleure compréhension des mécanismes, notamment la biofloculation, qui gouvernent la capture de la matière organique. Le rôle dans ces mécanismes des Substances Polymériques Extracellulaires (EPS) secrétées par les bactéries, est de plus en plus étudié mais les conclusions sont divergentes. Ce travail de thèse a pour objectif d’améliorer la compréhension du rôle des EPS dans le mécanisme de biofloculation dans les procédés à boues activées. Un état de l’art a tout d’abord mis en évidence l’absence de consensus et les verrous, notamment méthodologiques, qui limitent la compréhension du rôle des EPS dans les procédés à boues activées. Des mesures expérimentales sur des boues de station d’épuration ont ensuite permis de 1) sélectionner et adapter les méthodes de caractérisation des EPS appropriées aux boues floculées et 2) proposer une amélioration d’une méthode innovante de caractérisation de la capacité de biofloculation d’une boue (détermination du seuil de floculation - Threshold Of Flocculation, TOF). Ces méthodes, combinées à des méthodes conventionnelles, ont été appliquées sur une trentaine d’échantillons de boues de plusieurs types de procédés (conventionnels, forte charge et densifiés) à l’échelle pilote et à pleine échelle. Cette démarche a révélé qu’une boue présentant de faibles capacités de biofloculation et des flocs peu développés, contient cinq fois plus d’EPS faiblement liées avec une teneur faible en biopolymères (<30 %), qu’une boue avec de bonnes capacités de biofloculation. Ces résultats démontrent qu’améliorer les capacités de biofloculation en contrôlant les EPS (concentration, composition) pourrait accroître la capture de la matière organique et donc le potentiel de valorisation énergétique.