Di-electric liquid cooling for future 20 kV power modules

Doctorant : Lucas MOLINA BARROS

Laboratoire INSA : Ampère
École doctorale : ED160 : Électronique, Électrotechnique et Automatique

Cette thèse apporte une contribution à la résolution des problèmes d’encapsulation des semi-conducteurs haute tension. Cette innovation offre la possibilité de réduire considérablement la taille et la complexité des modules ´electroniques de puissance. Les structures d’encapsulation conventionnelles ont depuis longtemps été confrontées au compromis entre l’isolation électrique, qui exige des couches isolantes épaisses, et la performance thermique optimale, qui privilégie des couches minces à haute conductivité thermique. Ce travail présente un concept novateur visant à résoudre ce dilemme en utilisant un refroidissement direct par un liquide diélectrique et des dissipateurs thermiques en céramique. Avec une épaisseur d’AlN de 3 mm, le nouveau boîtier peut supporter encore des tensions plus élevées, jusqu’à 62 kV. Le refroidisseur atteint une résistivité thermique de 0.155 cm²K/W avec le Novec7500, et cette valeur est encore réduite à 0.114 cm²K/W avec de l’eau. Ces résultats permettent le refroidissement de dispositifs présentant des pertes de puissance allant jusqu’à 500W/cm².

Contributions to Wireless Sensor Networks for Air Quality Monitoring

Soutenance publique

Maître de conférences : Walid BECHKIT

Laboratoire INSA : CITI

Rapporteurs :

• Aline CARNEIRO VIANA, Directrice de recherche, INRIA
• Andrzej DUDA, Professeur, Grenoble INP – Ensimag
• Nathalie MITTON, Directrice de recherche, INRIA

Jury :

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
Mme	Aline CARNEIRO VIANA	Directrice de recherche, Rapportrice	INRIA- Saclay
M.	Andrzej DUDA	Professeur, Rapporteur	Grenoble INP – Ensimag
Mme	Nathalie MITTON	Directrice de recherche, Rapportrice	INRIA-Lille
M.	André-Luc BEYLOT	Professeur, Examinateur	Toulouse INP- ENSEEIHT
M.	Abdelmadjid BOUABDALLAH	Professeur, Examinateur	Université de Technologie de Compiègne
Mme	Isabelle GUERIN-LASSOUS	Professeur, Examinatrice	Université de Lyon 1
M.	Hervé RIVANO	Professeur, Examinateur	INSA-Lyon
M.	Mouloud KOUDIL	Professeur, invité	ESI-Alger

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach

Doctorant : Kévin DAIGNE

Laboratoire : LaMCoS

École doctorale :  ED162 MEGA

Il peut être observé par des coupes longitudinales d'une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l'intérieur du pneumatique. L'objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d'étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d'un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d'abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l'abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l'intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d'un minéral. Si l'ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d'utiliser les outils de la diffusion, notamment d'évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.

 

Programming language abstractions for the Internet of Things era

Doctorant : Patrik FORTIER

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

The challenges posed by the Internet of Things (IoT) require modern applications to handle large volumes of data streaming from tiny devices, which then undergo processing, storage, and analysis. Developers have embraced the microservices architecture to address scalability concerns and facilitate a fast software delivery process. However, emerging computing paradigms like Fog and Edge computing introduce diverse resources and configurations, making it necessary for developers to adapt to increasingly complex environments and ecosystems. The emergence of new development methodologies like Function-as-a-Service and Serverless models has shifted the focus towards code simplicity. However, this has raised concerns that developers are now coding for infrastructures they have limited control over. In resource-constrained environments such as edge computing, applications even often compete for resources. Therefore, developers require tailored tools with appropriate abstractions to address modern challenges without succumbing to rising complexity.

In this thesis, we present programming language abstractions tailored for developing distributed software in the era of the Internet of Things. We have consolidated these abstractions into a framework that allows for the construction of distributed dataflow applications in the form of microservice applications, all within the same codebase. This framework abstracts both the underlying infrastructure on which applications run and the communication between services. We demonstrate the overhead introduced by our approach and compare it with existing Function-as-a- Service frameworks.

To offer precise control over the infrastructure, we introduce language primitives and a local runtime that manages contextual information about the cluster. Additionally, we introduce entropy as an innovative placement metric for applications. Developers can dictate how they want their application to be positioned within the cluster and how it should respond to scenarios such as resource contention between applications sharing the same infrastructure. These techniques enable a user-defined dynamic placement policy with a high level of granularity in an environment where they may not have complete control.

Apprentissage profond de variétés pour une meilleure caractérisation de l'hypertension artérielle en imagerie échocardiographique

Doctorant : Nathan PAINCHAUD

Laboratoire INSA : CREATIS
École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

L'hypertension artérielle est une maladie cardiovasculaire répandue, affectant plus de 1,2 milliard de personnes dans le monde. Son diagnostic est difficile en raison de la variété des symptômes et du manque d'outils d'analyse rapides et précis. Cette thèse propose une méthode d'apprentissage automatique pour analyser les données médicales, particulièrement les images échocardiographiques, et extraire des informations pertinentes pour le diagnostic de l'hypertension. Les méthodes proposées combinent des modèles d'apprentissage automatique avec des techniques d'apprentissage de représentation pour garantir la cohérence des prédictions et améliorer leur interprétabilité. Des descripteurs de forme et de déformation sont extraits des images segmentées et combinés avec des données des dossiers médicaux électroniques. Un transformeur multimodal est utilisé pour apprendre une représentation commune de ces données, capable de mettre en évidence le continuum pathologique de l'hypertension. L'application de la méthode à une population de patients a permis de détecter des profils subtils de formes et de déformations corrélés avec l'hypertension. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles études sur les mécanismes pathologiques de l'hypertension et à l'amélioration du diagnostic de la maladie.

Modélisation CFD du Transfert de Chaleur et de Masses dans une Remorque de Camion Réfrigérée équipée de Plaques Eutectiques

Doctorant : Jihyuk JEONG 

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Le système de refroidissement par plaques eutectiques (matériau à changement de phase, MCP) est une possible alternative aux systèmes conventionnels de réfrigération alimentés par des combustibles fossiles pour le transport de produits alimentaires surgelés ou réfrigérés dans des remorques de camions. Des modèles numériques ont été développés pour évaluer sa faisabilité et ont été validés avec succès par rapport à des résultats numériques et expérimentaux issus de la littérature.

Initialement, un modèle d'infiltration d’air dans la remorque a été développé utilisant un modèle de turbulence k-ω SST pour prédire le comportement thermoaéraulique de l'air pendant les périodes d'ouverture des portes. Différentes configurations des plaques eutectiques et des ventilateurs ont été analysées. Sans cargaison, les plaques disposées en série le long du plafond de la remorque ont montré un temps de renouvellement plus élevé que celles disposées en parallèle à l'arrière, en raison des zones de recirculation. Cependant, une fois la cargaison introduite, les deux configurations offrent des performances similaires car les zones de recirculation n'ont pas pu se former.

Par ailleurs, un modèle multiphasique granulaire eulérien-eulérien a été développé pour prédire la formation et la croissance du givre sur les plaques eutectiques. Le modèle de turbulence k-ω SST a été intégré pour étendre l'applicabilité du modèle de givre à une gamme plus large de vitesses d’air. Un modèle de solidification et de fusion a également été implémenté et couplé aux modèles précédents. Avec ce modèle combiné, les performances d'un système eutectique ont été étudiées pour des conditions estivales typiques à Montréal, Canada. Environ 2.3 % du MCP change effectivement de phase au cours des 120 premières secondes. Globalement, le système eutectique offre une alternative viable au système conventionnel, bénéficiant des mécanismes de prévention des infiltrations ou de dégivrage.

Unsupervised anomaly detection in neuroimaging: contributions to representation learning and density support estimation in the latent space. »

Doctorant : Nicolas PINON

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED 160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

This PhD thesis covers the topic of deep unsupervised anomaly detection (UAD) in neuroimaging. This research is partially grounded on the UAD model that was proposed in [Alaverdyan, MEDIA 2020], whose novelty was to perform the detection step in the latent representation space by adjusting density support model of the normative distribution. This model developed was applied to the detection of subtle epileptogenic zones in multiparametric MRI and evaluated on a private database. As a first part of this PhD, we optimize the architecture and hyperparameter setting of this UAD model, and evaluate its performance on different open datasets, including the non medical MVTec anomaly detection [Pinon, GRETSI 2023], the WMH challenge [Pinon, MIDL 2023], and the Parkinson's Progression Markers Initiative database [Ramirez, Pinon, MLCN 2021][Pinon, ISBI 2023]. This allows comparison with state of the art deep UAD methods, especially with the most common methods based on reconstruction error in the image space. The second main phase of this PhD work is to build on the limits of this model [Alaverdyan, MEDIA 2020] and propose original methodological contributions to 1) design patient specific models, relaxing the strong constraint to accurately coregister all control subjects and patients [Pinon, MIDL 2023], 2) provide a probabilistic detection framework to enable ensemble learning and probability calibration, 3) fuse the representation learning step and the outlier detection step, by proposing a novel end-to- end deep learning model.

Fabrication additive par stéréolithographie de composites céramiques pour application médicale : Du développement de pâtes spécifiques aux compositions et architectures adaptées

Doctorant : Sylvain FOURNIER

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les techniques de fabrication additive fondées sur la photopolymérisation sélective de couches successives permettent l’élaboration de pièces céramiques complexes, avec une résolution de quelques dizaines de micromètres. Le procédé de stéréolithographie implique le raclage d’une pâte fortement chargée en particules céramiques, soumise à de grandes contraintes de cisaillement. La photopolymérisation laser entraîne ensuite le durcissement sélectif des parties de la pièce avant l’étalement de la prochaine couche. A la fin du procédé, des traitements thermiques sont appliqués pour supprimer le polymère et consolider l’objet céramique. Cette thèse porte sur l’étude du procédé en vue de son utilisation dans la fabrication d’implants spécifiques, adaptés à chaque cas clinique.
Notre approche associe la caractérisation fine des systèmes « polymère-poudre céramique » afin de diminuer les défauts d’étalement et de polymérisation qui peuvent compromettre les propriétés mécaniques des implants céramiques. Une étude rhéologique comportant des essais de cisaillement continu, oscillatoire et multiaxial nous a permis de rationaliser le comportement des pâtes et de comprendre l’impact de chaque élément de la formulation. L’écoulement du matériau à fort taux de cisaillement est perturbé par la rugosité des particules. La dispersion adéquate des particules permet d’éviter un rhéoépaississement de la pâte. L’ajout d’une vibration lors du raclage permet également de réduire la viscosité. Des mesures du degré de polymérisation par spectroscopie infrarouge ont montré une certaine inhomogénéité due à la fabrication couche par couche, ce qui nécessite un déliantage thermique contrôlé pour limiter la formation de fissures.
Dans un deuxième temps, des poudres composites à base de zircone cériée, présentant une certaine ductilité par transformation de phase, sont utilisées afin de limiter l’impact des défauts d’élaboration. Les composites élaborés présentent une microstructure plus hétérogène que ceux élaborés par pressage, ce qui tend à augmenter leur transformabilité, améliorant finalement la résistance aux défauts d’impression.

Mise au point d’une méthodologie de déconnexion des eaux urbaines à l’échelle d’un bassin versant

Doctorante : Violeta Alexandra MONTOYA CORONADO

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

À l’ère de l’anthropocène, les villes se voient confrontées à la nécessité d’adapter leurs systèmes de drainage urbain, et de mettre en place une gestion intégrée des eaux pluviales visant à minimiser les rejets urbains par temps de pluie, notamment les rejets des déversoirs d’orage.
Trois objectifs étaient visés dans le cadre de cette thèse : (i) comprendre et conceptualiser les phénomènes complexes du système urbain afin de développer un modèle hydrologique et hydraulique (HH) à l’échelle du bassin versant urbain qui soit peu gourmand en paramètres d’entrée, et qui puisse modéliser les déversements à l’échelle annuelle ; (ii) améliorer les connaissances sur l’élaboration des stratégies de gestion des eaux pluviales à la source permettant de répondre aux défis liés aux déversements du réseau unitaire et ; (iii) évaluer l’impact, sur les déversements, de la dissémination globale (à l’échelle du bassin versant) et ciblée (à l’échelle de sous bassins versants) des ouvrages de gestions des eaux pluviales et leur robustesse pour faire face au changement climatique.
Pour répondre à ces objectifs, les différentes composantes urbaines contribuant aux déversements ont été caractérisées et quantifiées. Un modèle HH à base physique, parcimonieux et permet de simuler les déversements. L’évaluation du modèle a montré sa capacité à simuler les volumes déversés et fréquences de déversement à l’échelle annuelle. Ce modèle a été utilisé par la suite pour simuler des scénarios d’aménagement urbain. Les résultats montrent que si une gestion basée sur la déconnexion et la désimperméabilisation permet de réduire efficacement le volume et la fréquence de déversements, cet effort doit être réparti sur l’ensemble du bassin versant pour atteindre les niveaux réglementaires exigés. Enfin, une étude de sensibilité a montré que de telles stratégies de gestion des eaux pluviales permettraient d’atténuer les effets du changement climatique.

Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle: modelling and experimental approach

Doctorant : Cong YOU

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle.

The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance.

The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0- D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures.

In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.