Prédiction de la consommation des chauffe-eau électriques pour la commande prédictive des micro-grids

Doctorant : Ibrahim Ali KACHALLA

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

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

Cette thèse examine de manière critique et développe un nouvel algorithme de prédiction de la consommation d'énergie pour les chauffe-eau électriques domestiques habitations, en se concentrant sur les systèmes qui stockent l'énergie pendant les heures creuses et la fournissent pendant les heures pleines. Un modèle de prévision précis peut améliorer de manière significative la gestion des mini-réseaux d'énergie renouvelable et la programmation de la charge en fonction de la demande d'eau chaude, réduisant ainsi les coûts et les émissions globales de carbone liées à la dépendance du réseau national. Les recherches montrent que la consommation d'eau chaude dans les habitations résidentielles représente 12 % de la consommation totale d'énergie dans les bâtiments. L'intégration d'un modèle de prédiction robuste avec un système de contrôle prédictif de modèle (MPC) peut minimiser le gaspillage d'énergie et permettre une programmation à l'avance pour une gestion optimale du réseau. Cette étude passe d'abord en revue les modèles de prédiction les plus récents et effectue une analyse comparative de la régression statistique, de l'apprentissage automatique basé sur la régression et des techniques avancées d'apprentissage automatique afin d'évaluer leurs forces et leurs faiblesses pour les applications de chaudières électriques à eau chaude en utilisant des données provenant de trois bâtiments comme étude de cas. Trois nouveaux modèles hybrides ont été développés sur la base de cette analyse afin d'obtenir un modèle de prédiction plus robuste pour les chauffe-eau électriques. Le meilleur modèle a été sélectionné sur la base des mesures de performance de la précision et de l'efficacité de calcul. En outre, le modèle hybride a été évalué pour prédire la consommation d'eau chaude en utilisant des données exogènes, notamment l'heure de la journée, le jour de la semaine et l'historique de l'utilisation de l'eau chaude, afin d'évaluer leur impact sur la consommation d'énergie. L'étude met en évidence les points forts et les limites des modèles et suggère des domaines de recherche et d'application pour l'avenir.

Approches par apprentissage profond pour la simulation et l'optimisation du contrôle des réseaux de chaleur urbains

Doctorant : Taha BOUSSAID

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les réseaux de chaleur urbains ont démontré une forte viabilité économique ainsi que des bénéfices environnementaux importants par rapport aux systèmes de chauffage individuels conventionnels. Ces avantages résultent de leur capacité à intégrer une diversité de sources de chaleur, dont renouvelables, et à exploiter le stockage d'énergie thermique. Toutefois, les interactions complexes entre ces composantes, associées à la variété des échelles de temps dynamiques et aux contraintes opérationnelles, rendent les simulations physiques coûteuses en temps de calcul, compliquant encore davantage l'optimisation du pilotage. L'objectif de ce travail est de développer un outil pour la simulation et l'optimisation du contrôle de ces systèmes. L'obstacle computationnel est levé par la conception d'un modèle de substitution efficace basé sur l'apprentissage profond. Plus précisément, un réseau de neurones convolutif spatio-temporel sur graphes, intégrant des contraintes physiques, est proposé pour approximer le comportement dynamique du réseau, et permet de réduire le temps de simulation jusqu'à trois ordres de grandeur. Afin d'améliorer les performances et la généralisation de ce modèle, une stratégie d'augmentation de séries temporelles combinant une mise à l'échelle gaussienne et un découpage temporel est introduite et évaluée sur des données réelles. De plus, un jumeau numérique physique est également développé pour évaluer la capacité du modèle de substitution à s'adapter à différentes topologies et configurations de réseaux. Le modèle de substitution est ensuite couplé avec différents algorithmes d'optimisation, notamment des algorithmes évolutionnaires et des agents d'apprentissage par renforcement, afin d'évaluer son impact sur l'accélération du pilotage. Les résultats montrent que, si l'optimisation basée sur la simulation physique permet d'obtenir les réductions de coûts opérationnels les plus importantes, l'optimisation basée sur le modèle de substitution offre un meilleur compromis entre précision et coût computationnel, réduisant le temps d'optimisation de plusieurs jours à quelques heures seulement. Enfin, cette thèse élargit l'optimisation du contrôle en intégrant des critères environnementaux via une analyse du cycle de vie. Une nouvelle méthode de pénalisation dynamique des émissions de particules fines est proposée et ajoutée à la fonction objectif pour tenir compte des épisodes de pollution d'air. Les résultats révèlent les principaux compromis entre la réduction des émissions CO2 et d'autres impacts environnementaux, tout en soulignant l'importance du stockage thermique pour assurer une performance durable et flexible des réseaux.

Apport des analyses numérique et expérimentale dans l’étude des contacts de type impact-glissement

Doctorant : Matteo DELLI COLLI

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergéque, Génie Civil, Acousque

L’industrie nécessite de réaliser de tests expérimentaux d’usure pour estimer la durée de vie de certains composants. Ces tests sont de plus en plus exigeants en termes de représentativité, surtout que leur endommagement représente des risques pour la sécurité. Ceci est le cas des faisceaux tubulaires supportés avec jeu dans les centrales nucléaires. Pour cette raison, FRAMATOME a développé ses propres bancs d’essais (bancs AURORE) pour étudier l’usure par impact-glissement de ces composants. Chaque banc d’essais est lui-même une structure élancée et supportée avec jeu à échelle réduite, excitée par des forces magnétiques et immergée dans un milieu aqueux à haute température et haute pression. Mis à part l’enjeu de réaliser des essais dans un tel environnement extrême, d’autres défis sont présents : la répétabilité des résultats, étant les conditions d’impact issues de la réponse dynamique d’un système non-linéaire ; la mesure des grandeurs de contact, posant la représentativité des essais des contraintes sur l’instrumentation. Cette thèse a donc deux objectifs : identifier des conditions de fonctionnement de ces bancs d’essais qui donnent des caractéristiques d’impact égales pendant un essai et répétables entre différents essais ; estimer les grandeurs du contact à partir des mesures réalisées. Pour ce faire, une approche numérique et expérimentale a été choisie. Plusieurs modèles numériques ont été mis en place, car les phénomènes ont lieu sur des échelles temporelles et spatiales différentes. La dynamique du système impactant est modélisée comme un oscillateur à impacts avec deux degrés de liberté, soumis à une force magnétique et à des forces liées à l’écrasement du fluide dans le jeu entre le tube et son support. La prise en compte de cet eet est possible grâce à la résolution de l’équation de Reynolds modifiée pour prendre en compte également une partie de l’inertie de l’eau. Ce modèle permet de réaliser des analyses paramétriques et de trouver des conditions de fonctionnement adéquates. Un autre modèle masse-ressort-amortisseur a été réalisé pour estimer les grandeurs du contact. Un modèle aux éléments finis du banc complet a été développé pour accéder à la pression de contact entre le tube et son support. Ensuite, la réalisation de tests expérimentaux d’usure et l’analyse post-mortem des échantillons ont permis de valider les résultats numériques obtenus. Les résultats de cee étude montrent le rôle de la fréquence d’excitation du système impactant pour obtenir des essais avec des caractéristiques des impacts (position, vitesse, angle et fréquence) égales et répétables entre plusieurs essais. Notamment, des impacts avec ces caractéristiques sont possibles si la fréquence d’excitation est au-delà de celle du premier mode de vibration du système impactant. De plus, dans ces conditions testées, l’eet de l’écrasement du fluide résulte négligeable sur les caractéristiques des impacts. Par conséquent, des essais similaires peuvent être réalisés en air et en eau. Concernant l’estimation des grandeurs de contact à partir des mesures, les analyses montrent un degré de cohérence variable selon les conditions d’impact. La raison est que les systèmes mécaniques sur lesquels ces mesures sont faites présentent des modes de vibrations avec des périodes du même ordre de grandeur que les périodes des contacts. En général, le plus les forces d’impact sont élevées, majeure est la vibration de ces systèmes et donc mineure est la cohérence de la mesure par rapport à la réelle dynamique du contact. Par rapport au système mécanique pour mesurer le déplacement, il est fort probable que sa dynamique pendant le contact pilote le temps de contact. Concernant les régimes de frottement (adhérence, glissement) à partir des mesures de force, leur interprétaon devient encore plus complexe en milieu aqueux.

Modèle poro-élastique multi-échelle du système tige/fémur pour fabrication additive d'une tige fémorale personnalisable à gradient de propriétés mécaniques

Doctorant : Emmanuel THOULON

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'arthroplastie totale de la hanche (THA) est en un remplacement complet de l'articulation de la hanche par un implant. Il s'agit du seul traitement disponible pour de nombreuses pathologies de la hanche liées à l'âge. La durée de vie de la prothèse est limitée, nécessitant souvent une nouvelle intervention au bout de plusieurs années. L'augmentation de l'espérance de vie et la baisse de l'âge de première implantation contribuent à l'accroissement du nombre de patients concernés. Le prolongement de la durée de vie des prothèses de hanche constitue un enjeu à la fois économique et sociétal. La principale cause de réintervention est le descellement aseptique, caractérisé par une résorption osseuse à l'interface os­ implant. Cela entraîne une instabilité de l'implant et est attribué au « bouclier de contrainte » (stress shielding), qui résulte de la différence de raideur entre le titane et l'os. Cela réduit la transmission des contraintes dans l'os et favorise la résorption osseuse liée au désusage. Dans un contexte médical plus large, où les solutions personnalisées sont privilégiées, cette thèse explore le concept de tige fémorale mécano-biofidèle, c'est-à-dire une tige imitant la géométrie et les propriétés mécaniques de l'os naturel. Alors que l'aspect géométrique a déjà été étudié par Braileanu (2020), ce travail se concentre sur la détermination de propriétés mécaniques optimales pour adapter l'implant à chaque patient. Il s'appuie sur les travaux antérieurs de Perrin (2018) et de Coftigniez (2021), qui portaient respectivement sur une modélisation poroélastique de l'os et sur la fabrication additive de supports en titane destinés à la croissance osseuse. L'objectif principal est de créer un modèle poroélastique de l'os incluant la simulation de la cicatrisation et du remodelage, puis de confronter ses résultats à ceux obtenus par fabrication additive. La cicatrisation et le remodelage étant deux processus biologiques distincts, aucun modèle numérique ne les simule simultanément. Deux modèles issus de la littérature ont été sélectionnés et implémentés dans un modèle éléments finis simplifié, axisymétrique, du système tige-fémur à l'aide de subroutines UMAT. Grâce à un document externe et à l'utilisation d'un predefine field, les calculs de remodelage reprennent au dernier pas de calcul de cicatrisation, assurant ainsi la continuité entre les deux processus. Une procédure de validation a été appliquée pour vérifier l'insensibilité au maillage, la justesse des calculs de contraintes et le comportement asymptotique de la raideur avec un nombre croissant de cycles. Pour évaluer la précision du modèle, les résultats de la simulation numérique ont été comparés à ceux de trois patientes scannées respectivement 5 mois, 4 ans et 12 ans après l'implantation. Les résultats préliminaires sont encourageants, avec une même distribution de raideur et des écarts maximaux de 6 %, 24 % et 11 %. Ils mettent en évidence certaines limites, notamment l'approximation géométrique qui réduit la précision dans la zone de la tête fémorale. La surestimation de la raideur dans le modèle de remodelage suggère une sensibilité aux conditions initiales et une possible surestimation inhérente au modèle lui-même. L'utilisation d'images préopératoires offrirait certainement des améliorations pour les futures études. Enfin, une première étude des matériaux a montré que l'introduction de porosité dans le titane permet de diminuer la raideur, de réduire l'effet de bouclier de contrainte et de favoriser la colonisation cellulaire. Un prototype poreux en titane a pu être fabriqué par stéréolithographie, tandis qu'aucune éprouvette en polymère n'a pu être produite en raison de contraintes dimensionnelles imposées par les techniques disponibles. Des recherches complémentaires sur les procédés de mise en forme des polymères seront donc nécessaires. La prochaine étape de ce travail consistera en une caractérisation mécanique et biologique de l'éprouvette en titane.

Effets de la troncature sur l'épaisseur de film dans les contacts ponctuels elastohydrodynamiques pivotants

Doctorant : Tristan PATRIGEON

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Cette thèse est consacrée à l'étude des contacts pivotants situés à l'interface entre l'extrémité du rouleau et la collerette des roulements à rouleaux. Le but de cette étude est d'analyser l'influence de la proximité et de la forme du bord d'un solide sur l'épaisseur de film dans un contact élastohydrodynamique. De plus on étudie comment un mouvement de rotation peut affecter un contact tronqué. Afin d'approcher des mécanismes réalistes, l'importance de la géométrie au bord du solide est prise en compte. Une double approche numérique-expérimentale est proposée. L'épaisseur du film est calculée numériquement à l'aide d'une méthode d'Eléments Finis et est validée à l'aide de deux bancs d'essais dédiés: Jerotrib et Tribogyr. Une comparaison de l'épaisseur centrale et minimale du film est effectuée pour une arête vive, un chanfrein et un congé pour différentes distances entre le bord du solide et le centre de la zone de contact théorique. L'analyse montre une diminution exponentielle de l'épaisseur minimale du film lorsque le contact s'approche du bord, et notamment lorsque le bord entre dans la zone théorique de contact. L'influence de l'angle du chanfrein et du rayon du congé sur l'épaisseur du film est déterminée.

 

Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

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

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.

 

Perception de la direction et de la largeur des sources fantômes dans un contexte de reproduction audio en environnement automobile

Doctorant : Thomas CHARPENTIER

Laboratoire INSA : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

Cette thèse a pour but d'identifier et de caractériser quelques attributs relatifs à la spatialisation sonore dans une voiture, c'est-à-dire ce qui concerne la dispersion spatiale des sources et de l'environnement d'enregistrement. Cette thèse se concentre principalement sur les contenus stéréophoniques à deux canaux, droite et gauche, qui sont le format le plus largement diffusé aujourd'hui. Dans un premier temps, une recherche bibliographique a permis d'identifier et de hiérarchiser les attributs liés à la scène sonore qui peuvent être divisés en deux groupes: la localisation et l'immersion. En comparant les résultats de plusieurs études dans le premier chapitre, il est montré que la direction et de la largeur des sources virtuelles sont les attributs les plus importants dans le contexte automobile. Ainsi, un protocole expérimental de perception de la direction a été développé dans une seconde partie. Une fois le protocole validé, plusieurs expériences ont été réalisées dans des voitures. Les données provenant de ces expériences ont été comparées avec plusieurs modèles perceptifs, basés sur des enregistrements binauraux ou sur des données géométriques. Il est démontré qu'un de ces modèles a la capacité de prédire la position perçue des sources virtuelles. Dans un dernier chapitre, en utilisant les connaissances issues de la première partie ainsi que de la littérature, plusieurs réglages audio ont été proposés afin que le centre d'une piste stéréophonique soit perçu devant un ou les deux passagers avant. A partir de ces réglages, une expérience perceptive de la direction et de la largeur a été réalisée dans une voiture. Les résultats de cette expérience démontrent les limites du modèle validé dans la première partie, car celui-ci fonctionne seulement dans un certain cadre. Cependant, les résultats ont permis de valider et de comparer les différentes approches de réglages. Enfin, les données expérimentales sur la largeur ont été comparées avec plusieurs modèles perceptifs. Deux modèles ont révélé être cohérent avec les données expérimentales : un modèle binaural, basé sur le calcul des indices interauraux et de la probabilité que ceux-ci correspondent à des sources réelles à différents degrés d'azimut, et la fraction latérale de l'énergie. Pour conclure, cette thèse a permis de mettre en lumière un modèle capable de prédire la perception de la direction des sources sonores virtuelles dans le plan horizontal au sein d'un habitacle automobile. Bien qu'il ait été démontré que ce modèle fonctionne uniquement dans un cadre bien défini, le fait même qu'il ait fonctionné nous apporte de précieuses informations sur le mécanisme de perception de la scène sonore dans un tel contexte. De plus, en s'inspirant de ce modèle et d'autres études, il a été prouvé expérimentalement que plusieurs méthodes de réglage permettent de positionner une source virtuelle à une position donnée, de manière à ce qu'elle soit perçue de la même façon par les passagers de gauche et de droite dans leur propre référence. L'avantage de ces méthodes réside dans leur automatisation quasi totale. Par ailleurs, le modèle binaural permet d'estimer la qualité de restitution des sources virtuelles en termes de largeur sur le plan horizontal, et même de direction dans certains cas. Ce modèle peut ainsi être utilisé pour comparer différentes architectures audio ou réglages sans a priori sur les algorithmes employés. Bien entendu, d'autres études sont nécessaires, par exemple pour développer un modèle capable d'estimer la direction d'une source virtuelle dans tous les contextes. De plus, d'autres attributs perceptifs méritent d'être étudiés, tels que la perception de la distance et de l'immersion.

 

Mise en place de références métrologiques pour la mesure de conductivité thermique par microscopie thermique à balayage

Doctorante : Sarah DOURI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La demande croissante de la gestion thermique dans diverses industries (énergie, micro et nanoélectronique...) a fait naître le besoin de techniques de caractérisation thermique fiables à l'échelle micro et nanométrique. La microscopie thermique à balayage (SThM pour « Scanning Thermal Microscopy » en anglais) est un outil intéressant pour la caractérisation des propriétés thermiques et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur à ces échelles. Cependant, certains aspects métrologiques restent un défi pour la mesure quantitative et traçable de la conductivité thermique avec la technique SThM. L'objectif de ce travail est d'améliorer la métrologie associée à la mesure de la conductivité thermique avec le SThM pour obtenir des mesures quantitatives, traçables et fiables. L'une des principales contributions de ce travail est l'établissement d'un nouveau modèle 3D par la méthode en éléments finis (MEF) pour la deuxième génération de la sonde Palladium afin de décrire plus précisément la dissipation de la chaleur en son sein ainsi que les différents mécanismes de transfert de chaleur qui se produisent entre la pointe et l'échantillon. Les résultats de simulation révèlent l'influence de la résistance thermique d'interface sur la réponse thermique et la sensibilité de la technique à ce paramètre tant dans l'air que dans le vide. Le transfert de chaleur par conduction en régime balistique (au contact), qui est généralement négligé dans les modèles existants dans la littérature, a été intégré dans le modèle 3D. L'étude met en évidence la nécessité de prendre en compte ce transfert de chaleur lorsque les mesures sont effectuées dans le vide. Une étude comparative entre le modèle 3D MEF et le modèle analytique généralement utilisé expérimentalement pour étalonner les sondes résistives évalue l'applicabilité de l'approche analytique pour les mesures de conductivité thermique et met en évidence ses limites et les améliorations possibles. La partie expérimentale de ce travail se concentre sur l'amélioration de l'installation expérimentale du Laboratoire de mesure et d'essais et des protocoles de mesure pour une mesure plus précise et répétable (reproductible). En outre, une courbe d'étalonnage expérimentale est établie et l'incertitude associée est évaluée à l'aide d'une nouvelle approche. Les résultats montrent que les améliorations apportées à l'installation et aux protocoles de mesure réduisent l'incertitude associée au mesurande, diminuant ainsi l'incertitude associée à l'estimation de la conductivité thermique. L'analyse expérimentale met en évidence que des mesures quantitatives et traçables de la conductivité thermique (pour des échantillons où le transfert de chaleur est principalement diffusif) avec la technique SThM sont possibles pour les matériaux à faible conductivité thermique (actuellement limitée à la plage de 0,187 W.m-1.K-1 jusqu'à 10 W.m-1.K-1) avec une incertitude associée <20 % (k=2).
 

Vers une qualification interdisciplinaire de la vulnérabilité sanitaire individuelle et des vécus face aux fortes chaleurs : croisement et mise à l'épreuve de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain ethnographique

Doctorante : Célia Sondaz

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'exposition aux vagues de chaleur, de plus en plus fréquentes, longues et intenses, altère la santé et le bien-être des habitants, notamment en milieu urbain. Les interactions entre les individus et leur environnement physique et social à l'origine de cette altération sont complexes, multifactorielles et multidimensionnelles. C'est pourquoi cette thèse propose et expérimente une approche interdisciplinaire de qualification des conséquences des surchauffes urbaines sur la santé individuelle et de la vulnérabilité associée. Deux méthodes sont ainsi croisées : (i) la modélisation et la simulation numérique des ambiances thermiques intérieures et des réactions thermo-physiologiques associées, (ii) le recueil et l'analyse des réactions à la chaleur, des stratégies d'adaptation, des percepts et des représentations individuelles et sociales, via une enquête qualitative de terrain. Cette approche a été expérimentée sur une population épidémiologiquement vulnérable aux fortes chaleurs, les femmes âgées, et en se consacrant principalement à l'exposition à l'intérieur des logements. Dans cette thèse, la modélisation a pour objectif d'étudier l'exposition thermique dans le logement ainsi que les réactions physiologiques induites. Pour cela, le modèle thermo-physiologique multisegments et multi-nœuds JOS-3 a été adapté pour simuler les astreintes thermiques, hydriques et cardiovasculaires. Ainsi, le nouveau modèle développé, aJOS-3, inclut un bilan hydrique complet, le calcul de la fréquence cardiaque et les limites de thermorégulation dues aux astreintes hydriques et cardiovasculaires. Des études de sensibilité de aJOS-3 à ses paramètres d'entrée, au pas de temps et aux asymétries en entrée ont montré la pertinence, en première approximation, de réaliser des simulations en série avec le modèle de STD de bâtiment EnergyPlus avec un pas de temps de 15 minutes. En parallèle de la modélisation, l'enquête de terrain réalisée auprès de 7 femmes de plus de 70 ans vivant seule dans trois modes d'habiter différents durant les étés 2022 et 2023 a reposé sur: (i) des mesures thermiques en continu dans les logements, (ii) des entretiens semi­ directifs, et (iii) un suivi quotidien à l'aide de carnets de bord et d'entretiens téléphoniques. Les résultats montrent notamment que les réactions psychologiques, sociales et comportementales sont au moins aussi problématiques que les symptômes physiques pour les participantes. Les percepts thermiques sont influencés par de multiples facteurs, et les représentations de la chaleur et de la vulnérabilité jouent un rôle clé dans l'adoption de stratégies d'adaptation ainsi que dans la tolérance à la chaleur et à ses conséquences. Au travers de deux études de cas, la chaîne de modèles EnergyPlus - aJOS-3 a été mise à l'épreuve du terrain afin d'évaluer son apport pour la compréhension des réactions à la chaleur. La comparaison des astreintes physiologiques simulées avec les vécus estivaux rapportés suggère que ce croisement des approches constitue un outil pertinent pour personnaliser les stratégies d'adaptation à conseiller. De plus, la modélisation des astreintes avec aJOS-3 semble plus représentative de la répartition temporelle des réactions physiques que l'estimation d'indices de stress thermique classiques tels que la PET. Le développement méthodologique, l'analyse du terrain et les études de cas montrent comment le croisement de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain permet d'appréhender les vécus et réactions en périodes de forte chaleur, par exemple par l'identification des réactions les plus marquantes, par celles des facteurs affectant l'exposition, les percepts ou la tolérance aux réactions, etc. L'approche interdisciplinaire permet également d'identifier les besoins, atouts, limites et perspectives propres aux différentes méthodes ainsi que les enjeux liés à leur croisement interdisciplinaire.

Contribution à la compréhension du phénomène de bruit fantôme des dentures d'automobiles

Doctorant : Julien FINOT

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Au cours des dernières années, l'industrie automobile a entrepris une transformation majeure de ses groupes motopropulseurs afin de se conformer à des réglementations plus strictes concernant les émissions de CO2. Cela a conduit Stellantis à fabriquer des véhicules électriques qui sont plus silencieux que les véhicules à essence ou Diesel en raison de l'absence de ce type de groupe motopropulseur. La boîte de vitesses existe toujours, et le bruit d'engrènement, également appelé bruit de sirène, devient plus audible à l'intérieur de la voiture. De plus, un autre type de bruit, appelé bruit fantôme, peut apparaître et devenir insupportable pour les utilisateurs du véhicule. La manière dont ce bruit fantôme est créé est encore sujet à discussion, mais il est clairement lié au processus de superfinition des flancs des dents des roues dentées et en particulier au processus de rectification par génération des roues dentées. Comme il s'agit du processus de superfinition le plus rapide pour l'usinage des dents, il est impératif pour l'industrie automobile de maîtriser ce phénomène de bruit. Tout d'abord, une introduction à l'évolution de la fabrication des engrenages chez Citroën et de l'architecture des boîtes de vitesses est faite pour mettre en évidence la transformation constante de cette industrie. Ensuite, une revue de la littérature traitant du phénomène de bruit fantôme est réalisée, abordant plusieurs sujets tels que: - La mesure et l'analyse de la micro-géométrie. - Les causes racines du bruit fantôme. - La détection du bruit fantôme lors de !'engrènement. - La simulation de la rectification par génération des roues dentées... Ensuite, différentes méthodologies sont créées ou améliorées afin d'étudier l'effet des flancs de dents avec des défauts d'ondulations sur l'apparition du bruit fantôme : - Une nouvelle analyse de la micro-géométrie testée en production automobile ; - L'amélioration de la simulation de !'engrènement en prenant en compte des écarts d'ondulations sur les flancs des dents ; - La conception et la validation d'une machine de mesure de l'erreur de transmission sans charge pour corréler les résultats de la simulation
d'engrènement; - Une simulation cinématique de la rectification des dentures par génération avec la possibilité d'ajouter des défauts cinématiques et d'étudier leurs effets sur les flancs des dents usinées. Enfin, une importante campagne de tests réalisée avec un fabricant de machines de rectification de denture est présentée et les résultats sont construits en utilisant les méthodologies développées précédemment. Sur la base des résultats, des lignes directrices pour maîtriser le phénomène de bruit fantôme sont données.