Développement et validation d’une modélisation thermo- aéraulique tridimensionnelle et dynamique du bâtiment pour l’étude des environnements thermiques intérieurs complexes

Doctorant : Teddy GRESSE

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Avec le changement climatique en cours et la hausse globale des températures, l’enjeu du confort thermique, notamment l’été et en ville, devient une question centrale pour la conception et la rénovation des bâtiments. Afin d’étudier le confort thermique dans des environnements thermiques intérieures complexes, mettant en jeu des phénomènes radiatifs et convectifs dynamiques et locaux, il est nécessaire de disposer d’outils de simulation thermique du bâtiment adaptés. Ce travail de thèse propose le développement et la validation d’une modélisation thermo-aéraulique du bâtiment basée sur la BES (Building Energy Simulation) tridimensionnelle, la CFD (Computational Fluid Dynamics) par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et la simulation des grandes échelles (LES), et finalement le couplage de ces deux approches. Tout d’abord, le modèle de BES développé a été validé suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une pièce solaire passive. Les résultats montrent des résidus et des erreurs moyennes faibles sur les températures d’air et de surface intérieures. L’application du modèle de BES à l’étude d’un matériau à changement de phase montre notamment que le stockage d’énergie latente s’effectue principalement dans les parties de mur ensoleillées, ce que ne peuvent pas prédire les codes de calcul couramment utilisés. Ensuite, la modélisation LBM-LES a été confrontée à un vaste ensemble de données expérimentales d’une pièce ventilée mécaniquement mettant en jeu des jets turbulents, axisymétriques et anisothermes de paroi. Les résultats montrent un bon accord entre les prédictions et les mesures concernant les profils moyens et la turbulence des jets étudiés. Enfin, le couplage BES-CFD a été mis en place et confronté aux données expérimentales d’une pièce équipée d’un radiateur. L’analyse porte sur le transfert de chaleur aux parois et les caractéristiques du panache thermique et montre que le couplage employé conduit à des résultats fiables.

Numerical and experimental study of crack propagation on monocrystalline silicon wafers

Doctorante :  Zineb BOULAAJAJ

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Mechanical failure is a critical phenomenon affecting the electrical performances of monocrystalline silicon, which is commonly used for solar cells and microelectromechanical systems. The main cause behind the catastrophic failure of such Si components is dynamic crack propagation. Numerous studies were conducted to apprehend this cleavage failure both at the initiation of the crack and along its propagation. Interestingly, it was found that crack propagation in monocrystalline silicon can reach up to 80% of Rayleigh wave speed. This threshold value has made us question whether some micro-processes or dissipation phenomena are taking place in the vicinity of the crack.
As part of the efforts made to shed light on the kinetic aspects of cracks, a numerical study is carried out to predict its propagation velocity and evolution. The inertial effects are accounted for using an explicit integration scheme. An exhaustive study was conducted to determine the numerical parameters that could control or influence the onset and the evolution of rapid crack propagation. Since we initially aimed at reproducing experimental bending tests, a three- dimensional model was necessary. The fracture approach XFEM was used and the explicit 3D model was implemented on the open-source code Cast3m.
A series of fracture experiments employing the potential drop technique were performed to characterize the crack velocities precisely. The samples were thin monocrystalline wafers onto which a thin chrome layer and gold electrodes are deposited. To control the crack path, a notch was made by hand on each wafer. The electrical circuit is a battery-feed Wheatstone bridge with our silicon wafer replacing one of the resistances. Crack propagation engenders a change in the voltage measurement. A relationship between the voltage across the wafer and the crack front position enables us to derive the crack velocity. This high-resolution experimental set-up is then validated by simultaneously performing the same measures using a high-speed camera.

Estimation de la résistance coronarienne par analyse du réseau vasculaire du fond de l'œil

Doctorant : Charles JABOUR

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : EDA162 MEGA

La plupart des maladies coronariennes sont liées à la présence d’une sténose, qui entrave l’écoulement coronaire. Le diagnostic repose généralement sur la caractérisation de cette sténose et néglige la microcirculation coronarienne, caractérisée par sa résistance et sa réserve de débit. Dans cette thèse, nous proposons d’analyser la microvascularisation de l’œil pour estimer celle du cœur.
Pour ce faire, nous avons utilisé la base de données COREYE. Elle associe des mesures de résistance coronarienne basale (BMR), en hyperhémie (HMR) et de réserve de débit coronaire (CFR) à 124 images de la perfusion rétinienne et de la choriocapillaire. Une base supplémentaire de données de rétinopathie radique nous a permis de valider les différentes étapes de notre méthodologie.
L’analyse des images a d’abord nécessité de segmenter des régions d’intérêt : le réseau vasculaire et la zone avasculaire centrale (ZAC) dans la rétine, et la perfusion dans la choriocapillaire. En particulier, notre méthode d’extraction de la ZAC par apprentissage profond, sous une contrainte basée sur la distance de Hausdorff, a produit des segmentations de formes concordant avec les annotations d’experts. Nous avons ensuite extrait des descripteurs de ces régions.
Par recherche exhaustive, nous avons sélectionné les meilleurs descripteurs pour nos différentes tâches de prédiction. Nos prédictions de grade rétinopathie radique se sont appuyées sur des descripteurs de chaque région. Elles se sont montrées robustes pour les grades les plus sévères.
Nous avons classé la BMR, HMR et CFR en valeurs hautes et basses, à partir de descripteurs oculaires anatomiques, et démographiques. Les prédictions de HMR et CFR se sont démarquées par leur généralisation à de nouvelles données. Seule la CFR a bénéficié des descripteurs démographiques. Nos recherches exhaustives ont mis en évidence l’importance des flow voids dans ces estimations. Ces résultats tendent à montrer qu’une estimation des résistance et réserve coronaires est possible par analyse ophtalmique.

Mécanique computationnelle pilotée par des données - Extension pour l'élasto-plasticité et application thermomécanique

Doctorant :  Duc Khai Nguyen PHAM

Laboratoire INSA : LaMCos

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

La simulation des procédés thermomécaniques tels que le soudage demande d'une description fine des comportements du matériau afin de prendre en compte divers phénomènes multi-physiques. Vu l'aspect multiparamétrique de la loi retenue, l'identification et la calibration des paramètres deviennent difficile dans certaines conditions extrêmes où les hypothèses ne sont plus valables. Aujourd'hui, les techniques expérimentales de mesure de champ complet et les stratégies de calcul multi-échelle permettent d'accéder à une large quantité sans précédent des données sur la réponse matérielle. La modélisation des comportements de matériau devient un goulot dans le flux des données. Au contraire, Kirchdoefer et Ortiz ont proposé une nouvelle approche, dénommée Data Driven Computational Mechanics \cite{kirchdoerfer_data-driven_2016}, permettant d'incorporer les données du comportement de matériau dans la simulation prédictive. La réponse matérielle est représentée seulement par des données discrètes sous forme des couples tensoriels de déformation à contrainte. Le problème aux limites standard est reformulé en tant qu’une minimisation de distance entre les états physiquement admissibles du corps solide et la base de données. Dans cette thèse, nous explorons cette approche dans l’optique de développer une première preuve de concept visant des applications de la simulation du soudage. Premièrement, nous représentons les idées originales de Kirchdoefer et Ortiz dans un cadre variationnel pour faciliter la compréhension et l’implémentation dans les logiciels de calcul par éléments finis standards. Deuxièmes, nous proposons d’une extension pour l’elasto-plasticité dont la réponse matérielle contient des phénomènes irréversibles en exploitant l’espace tangent de la variété constitutive cachée et les lois de transition sous forme des lois à seuil. Finalement, une nouvelle approche pour gouverner la transition des bases de données, dérivée de la Thermodynamique des Processus Irréversibles (TPI) est présentée. La vérification se réalise par des cas test académiques et un benchmark qui simule un essai thermomécanique de type Satoh.

Les écoles doctorales MEGA et Matériaux s'associent pour proposer leur école thématique annuelle "Approches Multi-Disciplinaires en Mécanique".

Cette école thématique pour objectif de proposer une formation scientifique à l’intention des doctorants, postdoctorants, enseignants-chercheurs et chercheurs intéressés par les concepts transversaux à la mécanique et combinant des aspects numérique, théorique et expérimental. Les thèmes abordés cette année concerneront en particulier la mécanique du vivant et les matériaux pour le vivant ainsi qu’une journée sur l’intelligence artificielle commune avec la 4^e semaine Scientifique Interdisciplinaire de l’EUR MANUTECH SLEIGHT.
 

Portrait d’une femme engagée, ingénieure, docteure et surtout, manager. 

« J’ai toujours fait mes choix par envie et par désir, je n’ai pas de plan de carrière. »

Voilà comment Valérie Lamacq a construit son parcours professionnel. Aujourd’hui directrice industrielle chez GE Power, une branche de General Electric, elle dirige 3 usines et plus de 1000 personnes depuis Belfort, siège de la structure européenne. 
À 49 ans, elle a un parcours riche d’expériences derrière elle. Et ne parle plus de ses diplômes. Mais c’est bien à l’INSA Lyon qu’elle a appris à se « débrouiller », à mettre les mains dans le cambouis. Capable de comprendre la technique, elle peut « s’assoir à la table » et comprendre toutes les problématiques. Avec cette éducation d’ingénieure généraliste, elle sait prendre des décisions en toutes circonstances.

Lorsque Valérie quitte la Normandie en 1987, c’est pour intégrer l’INSA Lyon et devenir ingénieure. Issue d’une fratrie de 5 filles, elle dit avoir reçu une éducation qui lui a permis, en tant que femme, de tout envisager.

« Mes parents ne m’ont jamais dit que je ne pourrais pas faire tel ou tel métier parce que j’étais une fille » se souvient-elle.

Une carrière scientifique était tout à fait envisageable pour elle et ses sœurs, dont deux autres sont également ingénieures ou docteurs. A l’INSA Lyon, elle suit sa formation avec « beaucoup de bonheur » et choisira le département Génie Mécanique Développement (GMD) un peu par élimination, parce que « développer à partir de l’existant » lui convenait mieux. Elle complètera sa formation par un DEA Mécanique puis par un doctorat en partenariat avec le Laboratoire Mécanique des Contacts de l’INSA, avec l’école doctorale Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA).

« J’ai beaucoup aimé le travail collaboratif avec les équipes de recherche, que je trouvais très enrichissant. Mais il était évident pour moi que je ne ferai pas carrière dans la Recherche, j’avais besoin d’autre chose. » 

Cette « autre chose », c’est le management. Valérie ne le sait pas encore mais elle est faite pour cela.
C’est lors d’un entretien de recrutement qu’elle ouvrira ses horizons. Elle est en effet contactée pour sa double compétence, ingénieure-docteure, par un recruteur qui voit en elle une belle alliance entre la maîtrise de la technique et la capacité à prendre des décisions. Si le recrutement ne peut aboutir pour cause de restructuration dans l’entreprise, Valérie décide de poursuivre en production et postule chez Général Electric, alors à la recherche de nouveaux profils. Sa candidature fait l’unanimité. Elle sera ingénieure méthodes pendant 6 mois, avant de prendre les devants.

« Je voulais manager. Mon chef m’a donné le choix : c’était soit je prenais la responsabilité d’un atelier de 50 personnes en pleine relocalisation avec interdiction de perturber la production, soit je me spécialisais dans les méthodes de production. J’ai choisi ! »

Elle prend alors les rennes de cet atelier de production de turbines à gaz à Belfort. Devenue première femme manager de production chez GE Energy, elle apprend en faisant.

« Cela a été une révélation extrêmement difficile, mais j’ai tenu en pensant aux autres femmes qui pourraient suivre » confie-t-elle. 

Tellement qu’elle prendra ensuite la direction de l’Ecosse, avec mari et enfants, pour gérer 4 usines de production. Directrice de production Europe et Afrique de l’Ouest, elle reviendra ensuite en France pour occuper les fonctions de directrice des achats Europe.

« J’ai beaucoup appris. J’ai compris qu’il fallait arrêter de mettre les gens en position inconfortable et d’attendre d’eux qu’ils soient capables de tout faire. Il faut mettre les gens là où ils sont bons et arrêter de croire qu’on va réussir à les développer sur leurs faiblesses. On ne recrute pas un poisson pour ensuite lui demander de se mettre à voler ! » 

Après cette expérience riche mais énergivore, Valérie décide de s’accorder un break. De donner du sens à sa vie professionnelle. Hasard ou coïncidence, elle croise la route de deux femmes en quête de soutien pour monter une antenne de l’association « Elles bougent » en Franche-Comté. Une seconde révélation pour Valérie.

« J’étais en pleine réflexion sur la place des filles dans la société et convaincue que le combat commençait dès l’école » indique Valérie.

« Tous les petits garçons peuvent se projeter dans tous les métiers en se projetant sur les hommes qui les exercent, mais pas les filles. Régulièrement, on leur parle de femmes aux parcours exceptionnels et c’est très difficile pour elles de se projeter. Je milite pour qu’on montre des parcours de femmes normales qui à leur âge étaient comme elles » complète-t-elle. 

Elle intervient dans les lycées, rencontre des parents, des jeunes filles, à qui elle livre son message.

« Il faut décider d’avoir le choix, et oser. J’ai beaucoup voyagé et vu des choses difficiles, et en Inde ou en Afrique, les femmes qui sont dans la rue n’ont pas le choix. En France, on a le choix. » 

Après 8 mois de distance professionnelle, elle est recontactée par GE. D’abord consultante, elle quittera de nouveau la boîte pour vivre une expérience dans une plus petite entreprise, française, en Picardie. Célibataire géographique, elle apprendra encore de cette expérience qui ne durera qu’un an, avant un autre appel de GE. 

« Je suis revenue pour occuper le poste de directrice industrielle. C’est très prenant. Mais une société ne peut pas vivre qu’avec des managers, il faut aussi savoir recruter des experts. Depuis 2 ans dans ces fonctions, j’ai recruté des femmes à des postes critiques, et elles sont vraiment courageuses. Elles ont une pugnacité, le souci de l’intérêt général et une loyauté que je ne retrouve pas toujours chez les hommes » souligne Valérie, avant de conclure : « Je crois aux femmes qui recrutent des femmes. » Authentique.