Gazéification en lit fixe co-courant : étude des transitoires

Doctorante : Janett RUIZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

La gazéification de combustibles alternatifs permet la production locale et non- intermittente d’énergie renouvelable et peut devenir une contribution majeure à la transition énergétique et à la promotion de l’économie circulaire et territoriale. Les réacteurs à lit fixe co-courant sont les mieux adaptés aux enjeux territoriaux liés à la valorisation des déchets. Dans ces réacteurs, le taux de conversion est élevé mais la conversion homogène du combustible est difficile à atteindre et représente une barrière à leur utilisation à des performances optimales. Dans ce contexte, le projet ECoGaz (valorisation Énergétique de COmbustibles alternatifs issus de déchets par GAZéification) vise à accroître les connaissances afin de développer l’utilisation de la gazéification pour la conversion de combustibles alternatifs dans ces réacteurs. Ainsi, le principal objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique fiable de gazéification en lit fixe co-courant permettant de représenter avec justesse la conversion de combustibles complexes. Dans le modèle développé dans cette thèse, les phénomènes réactionnels fortement couplés à l’écoulement de la phase gaz et aux phénomènes de transfert thermique dans le milieu poreux sont simulés de manière satisfaisante. Le tassement a été pris en compte. Le caractère 2D du modèle permet d’observer et de comprendre des phénomènes difficiles à mesurer. Ces informations peuvent être précieuses pour comprendre certains dysfonctionnements des réacteurs à lit fixe. De plus, ce modèle pourrait être utilisé comme outil de dimensionnement du réacteur. L’influence de plusieurs paramètres opératoires pourrait être étudiée, tels que le diamètre du réacteur, la composition de l’agent oxydant, le ratio équivalent ou l’emplacement de l’injection. D’autre part, la composition du combustible, et le diamètre des particules sont des paramètres d’entrée du modèle, qui permettent l’étude de différents intrants hétérogènes afin de valider la faisabilité de leur conversion dans un réacteur à lit fixe co-courant.

 

Développement de revêtements et de la fonctionnalisation de surface des plaques bipolaires en titane

Doctorant : Clément CAMBIER

Laboratoire INSA : MatEiS

Ecole doctorale : ED 34 : Matériaux de Lyon

Ce travail a pour objectif l’étude du film passif des plaques bipolaires et le développement d’un revêtement original remplissant les spécifications techniques d’une pile à combustible de type PEMFC. Le choix s’est porté sur le titane car son film passif (TiO2) est stable chimiquement et ne présente pas de risque de transpassivation comme l’oxyde de chrome des aciers inoxydables. Cependant, la faible conductivité électrique du film passif entraine une diminution des performances de la PEMFC. Pour commencer, le recuit d’un revêtement de TiO2 dopé tantale élaboré par dépôt PVD a permis d’activer les dopants et de garantir le caractère conducteur du matériau. Les propriétés semiconductrices dépendent de la teneur en Ta. En-dessous de 9 %at. de Ta, les dépôts cristallisent et deviennent conducteurs grâce l’apport d’électrons libres. Toutefois, ces dépôts ne permettent pas d’amorcer une diminution de la résistance de contact interfaciale (RCI). Cette décorrélation entre la résistivité du matériau et sa RCI est attribuée à une diode de Schottky à l’interface entre la couche de diffusion des gaz (GDL) métallique et le revêtement semiconducteur, amplifiée par les défauts de surface du TiO2 et la solubilité du Ta trop faible. La deuxième voie proposée consiste à modifier le type de liaisons du revêtement. En ajoutant de l’azote dans le TiO2, il est possible de contourner la problématique de la diode de Schottky en ayant un contact métal/métal. L’impact de l’oxygène dans les dépôts d’oxynitrure de titane a ainsi pu être menée. Un compromis a été trouvé entre les liaisons iono-covalentes qui apportent une meilleure stabilité chimique et les liaisons métalliques qui augmentent la conductivité du dépôt. Ces travaux montrent l’importance de l’extrême surface du revêtement et de son effet sur la RCI. Le contrôle de la barrière de Schottky rendrait possible l’utilisation de matériaux jusqu’à présent écartés pour cette application.

Origami à base de matériaux électroactifs pour la gestion de débris spatiaux

Doctorant : Amaury FIMBEL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration Cifre entre le LGEF et l’entreprise ArianeGroup. La fluctuation de forme de structures complexes à l'aide de polymères électroactifs est le sujet principal de cette étude. Les matériaux électroactifs, qui, de par leurs structures peuvent réaliser une conversion électromécanique de l’énergie, prouvent progressivement leur potentiel de percée technologique dans de nombreux domaines. En plus de l'hypothèse qu'ils pourraient éventuellement remplacer les capteurs et actionneurs actuellement utilisés, les nouvelles capacités de ces matériaux tant au niveau des performances que des capacités de couplage multiphysique sont une sérieuse source d’espoir pour aborder et résoudre des problèmes issus de secteurs émergents. Ces innovations technologiques potentielles peuvent affecter particulièrement le domaine de l'aérospatial. La combinaison d'une faible masse volumique et d'une densité d'énergie mécanique considérable pour un polymère semble apporter une réponse attrayante à la mise au point de dispositifs innovants, compacts et modulables. Mais certains points restent à explorer pour démontrer tout le potentiel applicatif de cette technologie et aboutir au développement de systèmes intelligents. Une grande partie de ce travail de recherche va donc se concentrer sur cette problématique. Ce projet se focalise ainsi sur l'élaboration et la caractérisation d'un composite à haute performance pour l'actionnement électrostatique et sa tenue en vieillissement en milieu spatial. Les objectifs de l'étude mécanique des structures origami sont de trouver des solutions concernant la compréhension et le développement de systèmes complexes et modulables. L’association de ces deux axes ouvre la voie à la création de structures mécaniques très légères pilotables par un champ électrique. Cette thèse concerne la gestion des débris spatiaux mais peut tout à fait s’ancrer dans un enjeu sociétal plus large comme par exemple le médical, la robotique ou encore le domaine des transports.

Techniques de modélisation multi-échelle de l'interface acier- béton pour le calcul de structures en béton armé à grande échelle

Doctorante : Maryam TRAD

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

La caractérisation du comportement mécanique des structures en béton armé est un défi majeur, en particulier lorsque des sollicitations au-delà du niveau de dimensionnement sont considérées. Dans ce cas, des informations locales sur le comportement de fissuration du béton sont indispensables pour évaluer la performance structurale. Cela est observé dans le cas où les ouvrages de génie civil présentent des exigences d’étanchéité. La prise en compte de l’intéraction entre le béton et les armatures en acier dans les simulations numériques joue un rôle important dans l’estimation du phénomène de fissuration. Les approches existantes de modélisation numérique de cette interface acier-béton restent peu satisfaisantes principalement car elles demandent des temps de calcul élevés. Leur application à l’échelle d’un bâtiment industriel reste toujours fastidieuse (Phan et al., 2015). Le but de ce travail de thèse est de proposer des stratégies de modélisation de l’interface acier-béton ayant le coût numérique le plus bas possible et étant applicables à l'échelle de l'ouvrage. Pour cela, une approche multi- échelle est proposée. Cette approche consiste à définir un macro-élément capable de reproduire le comportement de l’acier et de l’interface acier-béton reliés au moyen d’une densité d’efforts d’adhérence. Cette approche est intégrée dans des calculs de structures bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D). En parallèle, une méthode de modélisation de l’interface dans le cadre d’éléments poutres inspirée des travaux de (Yousefi et al., 2020) et de (Abtahi et Li, 2023) est présentée. Une extension de cette approche vers des éléments plaques est réalisée. Les différentes techniques proposées dans ce travail sont utilisées pour modéliser des tests expérimentaux de caractérisation du comportement de l'interface. Des exemples structuraux de poutres en flexion trois et quatre points sont également modélisés. Les applications présentées démontrent la robustesse des approches proposées et leur capacité à reproduire le comportement expérimental d'éléments structuraux en béton armé.

 

 

Weakly-supervised learning for emboli characterization with Transcranial Doppler (TCD) monitoring

Doctorant : Yamil VINDAS-YASSINE

Laboratoire INSA : CREATIS

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

This thesis focuses on the classification and characterization of high intensity transient signals coming from portable transcranial Doppler (TCD) ultrasound devices. The main objective is to help clinicians identify solid and gaseous emboli from artifacts generated during TCD monitoring sessions. In fact, emboli are solid or gaseous particles that can circulate in the cerebral arteries, sometimes blocking them and causing ischemic stroke. However, the identification and classification of HITS between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts is not evident and require important expert knowledge. Therefore, its detection, classification and characterization are key factors to improve patient management in healthcare centers. In this work, we propose deep learning models capable of doing an accurate classification between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts, with limited memory and energy consumption. More precisely, for HITS classification, to our knowledge, our work is the only one proposing an in vivo classification of portable TCD HITS between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts. The main contributions of this work are the following. Firstly, we proposed a semi-automatic data annotation method based on local quality metrics with controlled annotation error, allowing to quickly label a large dataset, using a small number of labeled samples [1, 2]. Secondly, we propose a hybrid guided and regularized multi- feature classification model allowing to accurately classify HITS, simultaneously taking advantage of the raw Doppler signal, and its time-frequency representation [3, 4]. Finally, we proposed new model compression techniques based on pruning and extreme quantization, allowing to reduce the memory requirements of the trained models, as well as the energy consumption. Finally, as we worked in close cooperation with Atys Medical, manufacturer of portable TCD devices, we were able to incorporate our developed models into their data management software.

 

Electric field induced micro-structuring of thermally conductive composites

Doctorant : Omar ZAHHAF

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de recherche doctorale fournit une étude détaillée des propriétés physiques des composites polydiméthylsiloxane-alumine (PDMS-Al2O3), en mettant l'accent sur l'influence significative de la structuration diélectrophorétique et de divers paramètres clés dans les propriétés résultantes des composites.
Le premier volet de l'étude examine systématiquement l'influence des paramètres de diélectrophorèse, de la nature et de la viscosité de la matrice et de la taille des charges d'alumine sur les propriétés thermiques, diélectriques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3. Un examen de l'impact de la fréquence et de l'amplitude du champ électrique révèle comment ces paramètres modulent la structure des composites, affectant ainsi leurs propriétés thermiques et diélectriques. L’étude montre également l’impact de la nature et viscosité du PDMS, examinant deux matrices PDMS distinctes. Par ailleurs, l’investigation souligne également les effets de la taille des charges sur les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques, clarifiant le rôle crucial de ce paramètre.
Le second aspect de l'étude porte sur la structuration diélectrophorétique des composites hybrides, en soulignant le rôle de l'hybridation en taille des charges sur les propriétés des composites. En comparant les composites mono-disperses aux composites hybrides sur une large gamme de taux de charge, l'étude démontre le potentiel de l'hybridation des tailles pour des améliorations significatives de la conductivité thermique. L'influence du rapport de taille et de la composition des charges, identifiés comme des facteurs clés des propriétés physiques des composites hybrides, est également étudiée.
Le troisième volet explore la synthèse hydrothermale des fibres d'Al2O3 en cartographiant les effets des paramètres de synthèse sur la distribution de la taille des fibres d'Al2O3. À travers une analyse détaillée du facteur forme des charges, la recherche permet de comprendre la relation entre les caractéristiques des fibres et les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3.

Traitement et valorisation des retours en tête : de la mesure à la modélisation

Doctorante : Perrine DEVOS

Laboratoire INSA : INRAE-REVERSAAL

Ecole doctorale : ED206 Chimie de Lyon

En aval des stations de traitement des eaux usées, des dispositifs d’infiltration sont mis en œuvre pour infiltrer les eaux usées traitées : EUTS. Dans ce cas, ces dispositifs sont non seulement des exutoires mais des bioréacteurs qui peuvent réaliser un traitement complémentaire de l’eau. Le dimensionnement de ces aires d’infiltration nécessite donc la connaissance de la conductivité hydraulique réelle du sol sur l’ensemble de la parcelle afin de permettre un fonctionnement pérenne de l’ouvrage. De nos jours, on ne dispose pas de technique permettant de calculer en tous points la conductivité hydraulique d’un sol. C'est pourquoi, le travail de thèse propose une solution permettant la spatialisation de la conductivité en utilisant une méthode de géostatistique : BME (Bayesian Maximum Entropy). La méthode BME a pour but d’intégrer des mesures géophysiques et des mesures localisées des essais d'infiltration pour mieux évaluer et prédire les transferts d’eau et de polluants dans les sols hétérogènes utilisés en traitement des eaux. Cette optimisation a pour but d’aider les gestionnaires, les collectivités locales, et les agences de l’eau à mieux concevoir et adapter les aires d’infiltration en aval des stations d’épuration.

 

Processing and characterization of ceramic composites with two dimensional layered nanomaterials

Doctorante : Carmen MUÑOZ-FERREIRO

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

This thesis work is focused on the development of novel multifunctional zirconia composites using two different 2D nanomaterials as fillers, few-layered graphene (FLG) and boron nitride nanosheets (BNNS). BNNS were exfoliated using three different technologies. Eco-responsible powder homogenization routines were evaluated for the dispersion of the nanostructures throughout the ceramic powder and the materials were consolidated using a spark plasma sintering (SPS) furnace.
A systematic study of the powder processing and the sintering conditions on the composites with FLG revealed the optimal processing conditions to maximize the FLG crystallinity, which decreases the electrical percolation threshold below 1 vol%. The electrical discharge machinability of the composite with 20 vol% was also analyzed. The addition of the exfoliated BNNS resulted in homogeneous dense composites with submicrometer grain size. The incorporation of partly hydroxylated BNNS revealed the absence of chemical bonding at the zirconia/BN interphase. The scalability of the materials was confirmed in all the different materials.
The evaluation of stable crack propagation evidenced rising R-curves only in the materials with larger nanosheets. Reinforcement by bridging of the nanosheets was corroborated although no influence of the reinforcement was detected when measuring the fracture toughness. Finally, since tetragonal stabilized zirconia is sensitive to the presence of water molecules, slow crack growth and hydrothermal aging were analyzed on the composites with either type of nanosheets.

Introduction des corps de roue flexibles dans la modélisation dynamique des engrenages coniques

Doctorant : Augustin PIGE

Laboratoire INSA : LaMCoS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les moteurs d’hélicoptère contiennent des transmissions de puissance, qui servent à mettre en mouvement divers équipements (pompes à huile et à carburant, génératrice…) ou à transférer la puissance de la turbine vers la boîte de transmission principale. Ces applications se caractérisent par de hautes vitesses de rotations et des exigences contradictoires : assurer une grande fiabilité avec des pièces les plus légères possibles. Des simulations dynamiques précises peuvent donc s’avérer utiles aux concepteurs. Pour des raisons d’intégration, il est parfois indispensable de transmettre un mouvement entre des axes concourants, ce qui est généralement réalisé au moyen d’engrenages coniques. Ces derniers ont été bien moins étudiés que leurs équivalents cylindriques, en particulier en ce qui concerne les corps de roue allégés et flexibles. Ce travail se focalise sur la modélisation d’engrenages coniques prenant en compte la flexibilité des corps de roue. Le modèle proposé combine des sous-structures condensées, des éléments d’arbres de Timoshenko et des corps rigides avec une modélisation originale de l’engrènement. L’élasticité de l’engrènement est non-linéaire et varie au cours du temps. Elle est calculée simultanément à la résolution des équations du mouvement. Le modèle a été confronté à des résultats expérimentaux en quasi-statique et à très haute vitesse. Ensuite, une étude quasi-statique a mis en évidence l’effet de la flexibilité des corps de roue et des efforts centrifuges sur deux engrenages très différents. Enfin, une seconde étude dynamique a été menée pour relever les particularités du comportement des engrenages coniques allégés et les mettre en perspective par rapport aux travaux sur les engrenages cylindriques. Elle a aussi permis de souligner les points à vérifier lors d’une éventuelle campagne expérimentale et de proposer une implantation pour l’instrumentation.
 

Control of the Final Morphology of Epoxy-Thermoplastic Blends and their Mechanical Properties

Doctorante : Anne COLOIGNER

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Thermosetting epoxy resins are used to lighten materials in the aerospace and automotive industry. Nevertheless, high crosslink density makes the resins brittle. Thermosets can be toughened by the dissolution of a thermoplastic into resin monomers which phase separates during the curing cycle. By controlling the final morphology of the resin and the associated length scale, the mechanical properties can be improved for composite applications. Previous works allowed to identify two key parameters for controlling the morphology of epoxy-thermoplastic blends. The interaction parameters between the constituents control the onset of phase separation during the crosslinking reaction and the corresponding conversion stage. The glass transition temperature of the blend at phase separation controls the growth rate of the morphology. By considering an appropriate range for these two parameters, it appeared possible to prepare toughened epoxy resins with tailored morphologies. Polyetherimides of different compositions with a wide range of glass transition temperatures (Tg) and solubility parameters have been synthesized. These systems allowed to consider various affinities with the thermosetting precursors and different Tg’s in order to synthesize epoxy-thermoplastic resins with adequate final morphologies. In addition to these tailored polyetherimides, a commercial polyetherimide (Ultem 1000) is studied. Finally, various morphologies such as sea-island thermoplastic particles and co-continuous structures have been observed. The fracture toughness of these systems has been also studied by measuring the released energy during a crack propagation. The objective was to improve our understanding regarding the control of the morphology by preparing new epoxy-thermoplastic blends with enhanced mechanical properties. By varying the compatibility between the constituents and the Tg of various polyetherimides, we have controlled the onset of phase separation in these systems, leading to various morphologies of different thermoplastic sizes. Finally, the mechanical properties of the thermoplastic-modified epoxy resins are optimized when co-continuous morphologies of hundreds of nanometers are obtained.