« Experimental and numerical study of three-dimensional flows generated by ultrasounds »

Doctorante : Bjarne VINCENT

Laboratoire INSA : LMFA

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

L’acoustic streaming est un écoulement entraîné par l’atténuation d’ondes acoustiques se propageant dans un fluide. Etant peu intrusif, le streaming est idéal pour mettre en mouvement des fluides difficiles d’accès, comme lors de la solidification de semiconducteurs liquides. Dans ces procédés, mélanger le bain fondu et contrôler les instabilités hydrodynamiques est essentiel pour assurer la qualité du lingot solidifié. Ce travail de thèse vise à caractériser le streaming généré par un faisceau ultrasonore avec ou sans réflexion, en vue d’une utilisation à long terme pour le contrôle et le mélange du bain fondu.
Tout d’abord, je caractérise un jet de streaming dans une cavité cylindrique fermée dont la longueur excède la longueur d’atténuation des ondes acoustiques. A l’aide de simulations numériques, j’obtiens des lois d’échelle décrivant l’évolution de la vitesse du jet le long de son axe, permettant ainsi d’avoir une vue d’ensemble des différents régimes d’écoulement.
Ensuite, j’étudie la stabilité de cet écoulement pour différentes tailles de cavité. L’impact du jet sur la paroi opposée à la source acoustique joue un rôle prépondérant dans la déstabilisation de l’écoulement. Outre son effet stabilisant, confiner l’écoulement affecte l’instabilité primaire qui peut être oscillatoire ou non-oscillatoire, sous-critique ou supercritique. Le changement de topologie de la perturbation instable s’explique par l’étude de ses points critiques.
Enfin, j’étudie un écoulement de streaming tri-dimensionnel en vue d’effectuer du mélange. Ce travail expérimental est réalisé dans une cavité cubique remplie d’eau. L’écoulement est forcé par un champ hélicoïdal résultant de plusieurs réflexions d’un seul faisceau sur les parois de la cavité. Avec des mesures optiques de pointe, j’identifie les structures majeures de l’écoulement, et analyse l’évolution de leurs vitesses avec l’intensité du forçage. Je montre que les lois d’échelle d’un jet droit sont valables pour cet écoulement 3D, et peuvent donc être utilisées pour le dimensionner.

Étude thermomécanique des émaux sur substrat verrier pour l'industrie automobile

Doctorant : Antoine LEJEUNE

Laboratoire INSA : MatéIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les émaux sont des revêtements inorganiques déposés à la surface du verre dans le but d’apporter une fonction d’opacification au vitrage. Ces revêtements sont des matériaux multi-phasés constitués de fritte de verre, de pigments noirs inorganiques et dans certains cas de charges minérales. Les traitements thermiques appliqués au verre émaillé sont connus pour générer des défauts liés à la présence d’émail : fragilisation mécanique du substrat, genèse de défauts optiques. La compréhension des interactions physico- chimiques entre le substrat verrier et le revêtement d’émail est indispensable afin de limiter ces défauts. Dans ce sens, trois émaux chimiquement différents ont été sélectionnés. La combinaison d’une approche locale et globale des évolutions microstructurales de ces émaux, complémentée par une approche in-situ a été développée. L’analyse a mis en évidence la présence de différents systèmes de fritte verrière, dont un cristallisant en température, à l’origine de l’inhibition du frittage de la couche d’émail. Un protocole de mesure de la contrainte moyenne dans la couche d’émail déposée sur un substrat inerte de silicium a été développé. Cette méthode a montré que l’émail se comportait de manière viscoélastique au-dessus de sa transition vitreuse, au-delà de laquelle la contrainte moyenne dans le revêtement relaxe entièrement. Au refroidissement, les contraintes se régénèrent à une température qui dépend de la fraction volumique de phases rigides, fonction du taux de cristallisation. Ainsi, un réseau percolant se forme et domine l’écoulement visqueux de la matrice vitreuse. Finalement, les interactions chimiques ont été étudiées en déposant l’émail sur substrat verrier. Les résultats ont mis en évidence un échange Li↔Na dont la profondeur dans le verre est proportionnelle à la déformation du verre émaillé à iso-température. Ces travaux ont mis en évidence l’effet des transformations structurales et de la composition chimique de l’émail sur son comportement thermomécanique et rhéologique.

Matrix-free weighted quadrature isogeometric analysis applied to thermal and mechanical simulations

Doctorant : Joaquin Eduardo CORNEJO FUENTES

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Ce travail explore le potentiel de l'Analyse Isogéométrique (IGA) pour améliorer les simulations numériques industrielles, en particulier pour le transfert de chaleur et l'élastoplasticité. Bien que la méthode des éléments finis soit couramment utilisée en ingénierie, elle présente des limites de précision et d'efficacité, surtout pour les géométries complexes. L'IGA, en intégrant des techniques avancées comme les méthodes sans matrice, à quadrature pondérée et fast-diagonalization, pourrait offrir une alternative plus précise et efficace. Cette étude démontre l'application de ces méthodes à des équations aux dérivées partielles elliptiques, ainsi que pour des problèmes qui évoluent au cours du temps. Une approche espace-temps pour les problèmes paraboliques non linéaires est également proposée, montrant des performances supérieures aux méthodes actuelles. Cependant, des défis subsistent pour appliquer ces méthodes à des géométries plus complexes et à des applications industrielles à grande échelle. Ce travail ouvre des perspectives pour des simulations plus rapides et fiables, remettant en question les pratiques traditionnelles en ingénierie computationnelle.

High-performance cooling of power semiconductor devices embedded in a printed circuit board

Doctorant : Ahmed Sabry Eltaher AHMED

Laboratoire INSA : AMPERE

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

L'intégration de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un circuit imprimé (PCB) est une solution prometteuse pour réduire les éléments parasites des circuits, simplifier le packaging des dispositifs et réduire les coûts. Cependant, la réduction continue de la taille des puces semi-conductrices, combinée à la faible conductivité thermique des couches diélectriques des PCB nécessitent des solutions de gestion thermique plus efficaces.
Dans ce projet de recherche, deux solutions de gestion thermique sont étudiées. Tout d'abord, un dissipateur de chaleur en graphite avec une haute conductivité thermique (1300 W/(m.K) dans le plan, et 15 W/(m.K) hors plan) est intégré dans le PCB. Deuxièmement, une solution d'extraction de chaleur basée sur la technique de refroidissement par jet d'eau impactant est mise en œuvre pour collecter la chaleur à la surface du PCB. Pour la solution de dissipation de chaleur, les valeurs des résistances thermiques jonction-environnement et jonction-boîtier (RthJA et RthJC, respectivement), des variantes de PCB avec des diodes et des puces MOSFET intégrées, sont réduites jusqu'à 38 % pour RthJA et 30 % pour RthJC, d'après les mesures. Pour la solution d'extraction de chaleur, le refroidisseur à jet d'eau (JIC) présenté réduit expérimentalement RthJA de 33 % par rapport à une plaque froide conventionnelle. Le coefficient de transfert de chaleur effectif (HTC) du JIC est calculé par simulations et s'élève à environ 43 kW/(m².K) avec une chute de pression de 9,7 kPa. Cette performance permet d'atteindre une densité de puissance de 865 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Augmenter la conductivité thermique de la couche isolante par un facteur de 10 permettra d'atteindre 993 W/cm² (très proche de l'objectif de 1000 W/cm²).
 

Capteurs multiphysiques miniaturisés et intégrés pour contrôles et analyses structures

Doctorant : Eliott BRUN

Laboratoire INSA : LGEF

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

Les méthodes actuelles de contrôle non destructif (CND) se basent majoritairement sur l'utilisation de capteurs manuels pour détecter des défauts tels que les fissures et les porosités, notamment lors des phases de production et de maintenance. Toutefois, ces techniques sont souvent limitées par le coût, la taille des équipements, et la nécessité d'une intervention humaine, ce qui les rend inadaptées à certaines applications industrielles où l'accès est difficile ou dangereux. Cette thèse explore la miniaturisation des capteurs CND à ultrasons et à courants de Foucault pour répondre aux besoins de surveillance en continu des structures, une approche intégrée dans le concept de suivi de santé des structures (SHM). L'objectif est de développer des capteurs légers, intégrables directement dans les structures, capables de surveiller en temps réel leur état tout en minimisant les coûts et les risques associés aux méthodes conventionnelles. Les travaux se concentrent sur deux axes principaux : la miniaturisation des capteurs à courants de Foucault, via l'utilisation de bobines plates imprimées ou sérigraphiées, et la conception de capteurs ultrasoniques miniaturisés basés sur des composites piézoélectriques. Pour les capteurs à courants de Foucault, l'accent est mis sur l'optimisation du facteur de qualité des bobines pour maximiser leur efficacité. Les capteurs ultrasoniques, quant à eux, sont développés à partir de films composites polymère-piézoélectriques, optimisés pour fonctionner à haute température. Les résultats démontrent que ces capteurs miniaturisés offrent des performances prometteuses en termes de détection des défauts, de mesures d'épaisseur et de durabilité en environnements extrêmes. Cette thèse pose ainsi les bases pour une nouvelle génération de capteurs CND miniaturisés, ouvrant la voie à une adoption plus large du SHM dans les secteurs tels que l'aéronautique, le ferroviaire, et l'énergie. Les perspectives de développement sont nombreuses, avec des applications potentielles dans diverses industries critiques.

Characterization and modelling of phase transformations and microstructures of cold rolled dual phase steels after heat treatment

Doctorant : Sébastien DAGUE

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

L’objectif de cette thèse était de contribuer au développement et à la compréhension des phénomènes physiques pilotant les évolutions microstructurales d’aciers Dual-Phase, principalement lors des phases de refroidissement. Dans un souci d’utilisation sur des lignes de production industrielles, des outils numériques à champ moyen à base physique ont été développés, ceux-ci étant utilisables pour une large gamme de compositions chimiques et de paramètres du cycle thermique. Une calibration des modèles sur des aciers ternaires issus de coulées de laboratoire a été effectuée avant leur validation sur deux nuances industrielles.
Un modèle, développé dans une thèse antérieure, pour la transformation de phase entre la ferrite et l’austénite ayant lieu lors de la phase de chauffage et maintien isotherme a été modifié avec pour objectif de le rendre plus robuste d’un point de vue numérique.
Un autre modèle visant à simuler la transformation de l’austénite en ferrite, lors de refroidissements lents continus, a été développé. Ce modèle, calibré sur des alliages ternaires Fe-C-Mn, est basé sur une description de la croissance de ferrite faisant intervenir des lois de germination et croissance. Dans un but de rapidité de calcul, ce modèle a été implémenté en langage VBA (Excel). Il a été testé sur différentes compositions d’alliages et il a été possible de trouver des lois de prédiction pour les paramètres du modèle, en fonction de la composition en manganèse de l’alliage et des conditions de refroidissement.
Pour finir, la formation de bainite en condition isotherme à 460°C et 500 °C a été étudiée en DRX in situ sur la ligne DiffAbs du Synchrotron SOLEIL. Le maintien de l’austénite a été mis en évidence lors d’un palier isotherme à 460°C ou à 500°C, pour deux alliages différents. Cette austénite peut ensuite être transformée en martensite lors du refroidissement rapide final, modifiant alors les caractéristiques mécaniques de l’alliage.

Optimization of hybrid aerated vertical/horizontal flow treatment wetland

Doctorante : Caroline MIYAZAKI

Laboratoire INSA : INRAE

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

The combination of stricter local regulations and the need for higher capacity plants has prompted companies in the wetland treatment sector to prioritize research and development initiatives aimed at enhancing total nitrogen (TN) removal and minimizing system footprints. In response to these challenges, it was created the Rhizosph'air system to be resilient, compact, and robust, with a capacity to serve communities of 2,000 to 10,000 PE. This thesis contributes to the optimization of total nitrogen (TN) removal while addressing operational challenges related to environmental protection and wastewater reuse. Chapter 2 provides an overview of key topics related to the Rhizosph'air system, including nature-based solutions (NbS) and aerated treatment wetlands (TW). It identifies key research areas for improvement, including oxygen transfer and nitrogen dynamics, to enhance TN removal. Chapter 3 is dedicated to the analysis of the impact of aeration strategies on system hydrodynamics. To this purpose, tracer tests have been employed to assess both internal and outlet responses. Hydraulic parameters and modeling provided valuable insights into the system's behavior. Chapter 4 examines a range of experimental conditions, demonstrating that inflow-based aeration strategies promote equilibrium between aerobic and anoxic environments, thereby optimizing TN removal. Furthermore, the strategy suggests using the primary filter for generating nitrates during aeration and allowing denitrifying bacteria to consume them during non-aeration periods and batch-hour. The utilization of organic carbon from raw wastewater is also a key aspect of this strategy. Finally, Chapter 5 examines the proposed aeration strategy, its limitations, and the resilience of the hybrid system. It also assesses the applicability of the N-k-C* model and investigates the potential for real-time aeration control using online sensors, including bending points and model predictions. This research advances the understanding of aeration processes and TN removal, offering innovative strategies for improving wetland treatment performance in small communities

Characterization of plastic strain localization in polycrystalline materials by means of 3D X-ray diffraction imaging techniques

Doctorant : Zheheng LIU

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

This thesis is part of the ANR 3DiPolyPlast project devoted to an in-depth study of the mechanisms leading to plastic strain localization in pure metals. 2D surface observations, 3D volume characterization, and numerical simulations are carried out in three simultaneous PhD projects. This thesis focuses on 3D characterization of strain localization using a combination of Topo-Tomography (TT) and Diffraction Contrast Tomography (DCT) - two synchrotron radiation near-field imaging techniques allowing for
1 micron spatial and 0.02-degree angular resolution. Two material systems have been studied: Ti-7Al alloy and pure Ni. In both cases the 6D algorithm is used to reconstruct the orientation field during initial stages of plastic deformation, which in turn is analysed for signatures of strain localization. Both the data acquisition scheme for TT and the 6D / 5D reconstruction algorithms for DCT and TT scans have been optimized. Theoretical analysis for the TT scan is performed to explore the limits of its reconstruction capacities and the methods to enhance them. Simulated diffraction data are used to study joint reconstructions of DCT and TT scans, illustrating possibilities and limitations of the optimized reconstruction framework. Contrary to Ti7Al, exhibiting clearly resolvable orientation contrasts in vicinity of slip bands, the diffraction data from pure Ni could not reveal slip bands, probably due to the weak and diffuse character of slip in this pure material. However, distinct structures in the orientation field were observed in directions perpendicular to the primary slip plane.

Développement d'encres fonctionnelles pour l'in-Mold Electronicc

Doctorant : Thomas GUÉRIN

Laboratoire INSA : AMPERE

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

Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui combine l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, notamment pour les interfaces homme-machine.

Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique.

La thèse étudie différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges métalliques micrométriques, avec l’argent comme conducteur électrique. Des encres à base de matériaux organiques issus de la pétrochimie ont été élaborées.

Deux encres se sont démarquées : l’encre N°1 (Vinnol H30/48M) avec une faible résistivité mais peu thermoformable, et l’encre N°2 (TPU 4878 NT1) avec des performances satisfaisantes en résistivité et thermoformage.

En parallèle, des encres conductrices biosourcées ont été formulées, dont l’encre N°3 (PLA-CY-804) avec une faible résistivité et l’encre N°4 (PLA-CY-212) avec de bonnes performances en résistivité et thermoformage. L’encre N°4 se distingue par son respect de l’environnement.

Cependant, des limitations subsistent, notamment des problèmes de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage, ainsi que le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection. Ces contraintes géométriques liées au 3D ont été étudiées, mais certaines encres n’ont pas encore été testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur.

 

Methodology for the robust design of air bleed systems in aeronautics

Doctorant : Gabriel DE CARVALHO FERREIRA SILVA

Laboratoire INSA : AMPERE

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

At the design stage, product engineers try to find the perfect balance between the physical parameters of the components and the performance required to properly design a system. It is therefore very important to understand how the choice of physical parameters at the design stage will impact the dynamic behavior of the final product. The problem requires skills in modeling complex multi-physics systems and control theory.
This work investigates the air bleed system of aircraft in collaboration with Liebherr Aerospace Toulouse. Although the structure of each valve and the arrangement of valves in the air bleed system are well known, the parameters that critically impact performance are difficult to identify. Due to the complexity of the model required to reproduce the behavior of valves, its non-linearity and the high degree of coupling between parameters, existing tools quickly show their limits. That is why the aim of the work presented in this thesis is to propose a new methodology that closely address the dynamic aspects of these valves from the design stage and provide a relevant evaluation of their dynamic performance in relation with the design requirements. This new methodology is presented and described from its theoretical concepts to its application to practical problems; it is based on a specific modeling step followed by a numerically solved stability condition, which is formulated as a constrained optimization based on linear matrix inequalities (LMI). The main originality of this work is based on the use of optimization tools to find, not an optimal parameter value, but the admissible ranges for a set of parameters which guarantee the required dynamic behavior.