Étude expérimentale du transport de microparticules plastiques modèles au sein d'une bifurcation à surface libre

Doctorant : Okba MOSTEFAOUI

Laboratoire INSA : LMFA - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique

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

De nombreux produits plastiques en fin d'usage échappent aux filières de traitement et de valorisation et se retrouvent, volontairement ou non, dans les compartiments de la biosphère, notamment les environnements aquatiques (rivières, lacs, océans). Les zones urbaines constituent la principale source de génération des microplastiques, issus, principalement, de la fragmentation des emballages plastiques, de l'abrasion des pneus sur les routes ou du relargage de fibres synthétiques dans les machines à laver. Cette thèse se concentre sur le transport des microplastiques au sein des déversoirs d'orage, interface entre le réseau d'assainissement urbain et l'environnement et principal vecteur urbain de pollution en microplastiques. L'objectif principal est d'identifier les zones d'accumulation et les modes de dispersion des microplastiques dans un écoulement de bifurcation à surface libre modélisant un déversoir d'orage. L'enjeu est donc de comprendre « comment les microplastiques, selon leurs caractéristiques physico-chimiques, sont distribués dans la branche latérale d'une bifurcation ? » Pour répondre à cette problématique, des protocoles d'élaboration de microparticules modèles, reproduisant les caractéristiques de microplastiques présent dans les milieux environnementaux, ont été développées pour une utilisation au sein d'un dispositif expérimental. Le premier protocole a permis de concevoir des particules aux propriétés physiques contrôlées, intégrant un colorant fluorescent pour améliorer leur suivi par des méthodes optiques. Le second protocole a permis un vieillissement accéléré des microparticules par photo-oxydation UV, simulant la dégradation chimique des microplastiques prélevés dans un bassin de rétention urbain. Concernant l'écoulement de bifurcation, une méthode de mesure 3D a permis de caractériser les structures tridimensionnelles présentes dans la branche latérale. Les mesures ont révélé l'absence systématique de fermeture de la zone de séparation. Deux formes d'écoulements de recirculation hélicoïdale ont été identifiées : l'une portée par un axe vertical, associée à un temps de
résidence plus long dans la zone de recirculation, et l'autre portée par un axe horizontal, favorisant un meilleur mélange transverse. En aval, ces deux structures génèrent des écoulements secondaires qui accentuent le mélange entre l'écoulement lent et rapide à l'intérieur et à l'extérieur de la zone de séparation. La dynamique des microparticules modèles a ensuite été étudiée expérimentalement par PTV-4D dans un écoulement de bifurcation, en faisant varier leurs caractéristiques physiques et leur position d'injection. Au-delà de l'effet de densité qui donne lieu à une accumulation près du lit ou en surface, il est observé que les microplastiques possédant un faible nombre de Stokes (caractérisant le temps de réponse des particules) se dispersent plus et sont susceptibles d'entrer dans la zone de recirculation. Par ailleurs, la position d'injection joue un rôle clé dans la formation initiale des zones d'accumulation, bien que cette hétérogénéité tende à s'atténuer en aval. Cette thèse a aussi conduit au développement d'un code numérique de transport de microparticules, adapté aux écoulements aqueux à petite échelle, sans ajustement de coefficients. Les résultats de la thèse améliorent la compréhension du comportement des microplastiques dans un écoulement turbulent et de bifurcation à surface libre modélisant un déversoir d'orage. Ils mettent en évidence l'influence des caractéristiques physico-chimiques des particules sur leur dispersion et leur taux d'accumulation, pilotés par les formes des structures d'écoulements. De plus, le développement de protocoles d'élaboration de microparticules modèles, représentatives de microplastiques, et d'un code numérique adapté, ouvre la voie à de nouvelles études et une meilleure prédiction de leur dynamique dans les environnements aquatiques urbains.
 

Élément fini solide-poutre pour l'analyse mésoscopique du comportement des renforts textiles à fibres continues

Doctorant : Baptiste LACROIX

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

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

Les renforts textiles à fibres continues sont utilisés pour la fabrication de matériaux composites, ce qui implique parfois des étapes de mise en forme. La maîtrise des étapes de celle-ci requiert des simulations à différentes échelles de représentation : macro, méso ou microscopique qui correspondent respectivement à celle du renfort, de la mèche ou de la fibre. L'analyse mésoscopique de la mise en forme de ces renforts permet de mettre en évidence les défauts apparaissant au niveau des mèches : leur flambement, leur écartement et leur désorientation. Leur prédiction est cruciale car ils sont responsables d'une diminution locale des propriétés mécaniques de la structure. Les méthodes permettant des simulations numériques à cette échelle nécessitent parfois des modèles complexes au nombre de degrés de liberté élevé et sont donc coûteux d'un point de vue calculatoire. Pour limiter ces coûts, certaines approches utilisent des modèles fondés sur des hypothèses simplificatrices qui ne permettent pas de capturer l'ensemble des mécanismes à l'œuvre dans la transformation des milieux fibreux. Pour répondre à cette problématique, l'objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie de modélisation frugale pour l'analyse mésoscopique des renforts à fibres continues. Dans ce travail, nous proposons une approche de solide-poutre pour décrire les mèches. Cette approche repose sur une actualisation de la méthode proposée par Charmetant, basée sur des éléments volumiques et une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse. Dans le cas du solide-poutre développé ici, l'élément volumique est enrichi par des poutres fictives utilisant une extension 3D de la méthode dite des éléments voisins et permettant de prendre en compte la raideur en flexion de la mèche. L'approche est implémentée dans un code de calcul interne utilisant la méthode des éléments finis avec un schéma d'intégration temporelle explicite. Des simulations de compaction non confinée, de flexion cantilever et de flambement d'une mèche sont réalisées afin d'observer l'influence de chaque mode de déformation sur la transformation de la mèche. Au travers de simulations numériques sur des mèches, des catégories de comportement de milieux fibreux (associées à des jeux de paramètres matériau) sont mis en évidence ; une classification est proposée en utilisant des ratios de propriétés. La pertinence de cette stratégie est démontrée par des comparaisons entre des simulations numériques et des essais sur des matériaux modèles. Enfin, des simulations de compaction et de pull-out hors plan sont réalisées sur un échantillon de renfort taffetas. Ces exemples numériques démontrent la capacité de notre modèle à capturer des défauts qui apparaissent lors d'opérations de mise en forme.

Preuve de concept d'une pompe à chaleur élastocalorique pour la réfrigération à température proche de la pièce utilisant du caoutchouc naturel

Doctorante : Marianne SION

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

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

De nos jours, la plupart des systèmes de réfrigération se basent sur la compression de gaz. L'utilisation de ces gaz compressés a révélé des problèmes, notamment une dégradation de la couche d'ozone et un potentiel de réchauffement climatique élevé. Plusieurs générations de gaz réfrigérant se sont succédées et ont été finalement bannies à cause de leur toxicité, de problèmes de sécurité ou de leur impact négatif sur l'environnement. Une alternative est l'utilisation de matériaux caloriques qui peuvent être utilisés pour faire de la réfrigération liquide-solide avec des systèmes régénératifs ou de la réfrigération solide-solide en utilisant des systèmes de réfrigération à étage unique. Les matériaux caloriques sont connus pour être sujets à des variations de températures lorsqu'ils sont soumis à un chargement externe. Ces matériaux sont divisés en quatre catégories : magnétocalorique, électrocalorique, barocalorique et élastocalorique, suivant le type de chargement, champ magnétique, champ électrique, pression ou contrainte uniaxiale, respectivement. Les matériaux élastocaloriques sont divisés en deux catégories, les alliages à mémoire de forme, tels que les alliages de Nickel Titane (Ni-Ti) et les polymères, tels que le caoutchouc naturel. Les polymères n'ont pas été beaucoup étudiés pour la conception de système de réfrigération élastocalorique. Cependant, le caoutchouc naturel est un matériau intéressant pour la réfrigération solide car il est peu coûteux et a un faible impact environnemental. L'utilisation du caoutchouc naturel, qui peut être considéré comme un matériau isolant thermiquement, représente un défi. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment le caoutchouc naturel peut être un bon candidat pour la réfrigération solide pour un système de réfrigération à étage unique. Il est nécessaire de comprendre quels sont les paramètres clés les plus importants pour obtenir les meilleures différences de température et puissance de refroidissement. Les principales questions scientifiques se posant sont sur la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de transfert et de déterminer si une mise à l'échelle du système de réfrigération peut permettre d'obtenir de plus larges différences de température et de plus hautes puissances de refroidissement. Afin de répondre à ces questions, cette thèse se concentre sur le développement et l'évaluation des performances d'un système de réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le Chapitre 1 de ce travail présentera le contexte et l'état de l'art sur les différents effets caloriques et certains systèmes de réfrigération utilisant ces effets. Dans le Chapitre 2, un système de réfrigération à étage unique à 4 temps est présenté et testé, afin de mieux comprendre les mécanismes de transfert de chaleur. Dans le Chapitre 3, une comparaison de neuf échantillons de caoutchouc naturel est présentée, afin d'étudier l'impact de l'épaisseur et de la composition des matériaux sur les performances du système. Dans le Chapitre 4, un deuxième système expérimental est étudié. C'est un système de réfrigération à 2,5 temps, qui a pour spécificité de mettre le caoutchouc en contact avec l'échangeur chaud lorsqu'il est toujours en cours de chargement. Dans le Chapitre 5, un modèle analytique est développé et utilisé afin d'étudier le transfert de chaleur entre le caoutchouc naturel et les échangeurs de chaleur. Finalement, une conclusion générale pour rappeler les principaux résultats de la thèse et les perspectives d'amélioration du système de réfrigération élastocalorique.

Développement d'un modèle éléments finis thermomécanique macroscopique pour l'estimation de l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles dans les assemblages soudés.

Doctorante : Audrey MICHON

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

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

Le meulage, une opération d'enlèvement de matière utilisée dans diverses industries, en particulier dans le secteur nucléaire (EDF), est principalement appliqué aux composants soudés. Ce procédé, impliquant un outil de meulage composé de liants et de particules abrasives, fait partie des procédés de parachèvement pour améliorer la qualité des pièces soudées. Cependant, la nature manuelle du meulage introduit une variabilité en raison de facteurs tels que le type d'outil, le savoir-faire de l'opérateur, les matériaux utilisés et les paramètres opératoires de meulage. De plus, le meulage influence les contraintes résiduelles près de la surface traitée et, suivant la nature des matériaux, peuvent favoriser les mécanismes de fissuration par Corrosions Sous Contraintes (CSC). Cette thèse examine comment le meulage modifie l'état des contraintes résiduelles, façonné par l'historique thermomécanique du composant. Le meulage peut introduire de nouvelles contraintes résiduelles. Pour comprendre l'impact des paramètres de meulage sur ces contraintes, nous proposons une chaîne numérique complète, validée par des essais sur un banc de meulage semi-automatique développé par Framatome. L'objectif est d'évaluer l'interaction complexe entre les paramètres opératoires (procédé) du meulage et l'état des contraintes résiduelles dans les composants soudés. Le défi dans la modélisation du meulage provient des nombreux phénomènes physiques en jeu, allant de l'enlèvement de matière aux interactions thermomécaniques au cours du contact outil-pièce. Pour s'aligner sur les exigences d'EDF, une approche macroscopique a été adoptée, adaptée pour analyser les effets du meulage à l'échelle du composant. Notre recherche a conduit au développement d'un modèle tridimensionnel de meulage utilisant Code_Aster, le code open source d'éléments finis développé par EDF. Le procédé de meulage est simulé comme une charge thermomécanique équivalente, pré-calculée en utilisant un code de contact semi-analytique interne ISAAC développé au LaMCoS. Ces simulations couvrent plusieurs étapes successives d'enlèvement de matière. Pour valider notre modèle, nous avons effectué des essais sur une maquette soudée pour anticiper l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles des soudures. Les résultats obtenus permettent non seulement de montrer l'effet du meulage sur les soudures, en termes de contraintes résiduelles, mais aussi de montrer la capacité du modèle à reproduire les tendances observées expérimentalement.

Multi-stabilité et rupture de symétrie dans un système vibro-impact non linéaire avec jeu annulaire : analyse expérimentale et numérique des bifurcations

Doctorant : Pau BECERRA ZUNIGA

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

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

Dans les générateurs de vapeur, les vibrations induites par l'écoulement génèrent des impacts qui peuvent provoquer l'usure des tubes intérieurs au fil du temps. Afin de mieux comprendre la réponse non linéaire de ces structures, une maquette représentant un tronçon de tube de générateur de vapeur a été conçue, consistant en un tube droit bi-encastré vibrant en flexion avec une butée annulaire à jeu avec un dispositif pour contrôler l'excentrement tube-butée. Parallèlement, un modèle d'ordre réduit a été construit afin de prédire la réponse la maquette et un algorithme de continuation basé sur la méthode d'équilibrage harmonique (HBM} a été utilisé pour calculer ses réponses stationnaires multistables. Cet algorithme ainsi qu'une technique de suivi des bifurcations ont été implémentés dans Cast3M (code de calcul du CEA}. Les résultats expérimentaux ont montré la coexistence de différents régimes pour le même ensemble de paramètres, ce qui a été correctement prédit par le modèle. Ensuite, les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés pour différentes symétries de tube-butée et malgré le modèle d'ordre réduit, les deux correspondaient remarquablement. Ces comparaisons ont été effectuées pour différentes configurations de symétrie tube-butée et l'analyse de bifurcation s'est avérée particulièrement précise pour prévoir l'apparition de régimes multi-stables. En outre, le suivi des bifurcations a été utilisé pour analyser l'influence d'un modèle de frottement glissant régularisé. Enfin, l'influence du nombre de modes retenus dans le modèle d'ordre réduit a également été examinée. Ces résultats démontrent la coexistence de plusieurs réponses dynamiques dans une maquette assez simple, tout en mettant en évidence la robustesse et les points faibles des outils numériques développés au cours de ce travail.
 

Rôle et avantages de l'intelligence artificielle dans la modélisation du transfert radiatif dans les atmosphères gazeuses et son application à l'analyse des données satellitaires.

Doctorante : Cindy DELAGE

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

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

L'étude de l'atmosphère terrestre nécessite le traitement de données massives issues d'instruments de télédétection. Ce traitement permet d'estimer des variables thermophysiques telles que la température et les concentrations de différentes espèces. Pour obtenir ces informations, plusieurs étapes de traitement sont indispensables. L'une de ces étapes concerne le calcul de la transmissivité dans le but de résoudre !'Équation de Transfert Radiatif. En théorie, un calcul exact est possible en utilisant le modèle dit raie par raie (Line-by-Line, LBL). Cependant, ce modèle requiert un temps de calcul extrêmement élevé, ce qui le rend prohibitif pour les applications atmosphériques, où le nombre de raies à prendre en compte peut atteindre des millions. Pour cette raison, la méthodologie LBL est principalement utilisée comme référence pour valider des modèles visant à estimer la transmissivité avec la plus grande précision possible par rapport aux calculs LBL, et dans le moindre temps de calcul (CPU) possible. Ainsi, un nouveau modèle a été proposé ces dernières années, appelé 1-distributions. L'objectif principal de ce manuscrit est de proposer un résumé de l'état de l'art de ce modèle, puis des perspectives de recherche afin d'en améliorer la précision. En complément, de premières validations dans des cas d'application concrets utilisant les instruments Metlmage (EUMETSAT, ESA) et TROPOMI (ESA) seront proposées en annexe du manuscrit. La perspective de recherche consiste principalement à combiner des outils de physique et de statistiques, ou d'apprentissage automatique, pour optimiser les poids impliqués dans le modèle 1-distributions. Dans les cas d'application préliminaires, cette étape d'optimisation conduit à une erreur relative maximale inférieure à 0,5 % par rapport au calcul LBL, avec un temps de calcul de 10 ms pour un calcul atmosphérique complet (1200 valeurs, une tous les 0,5 km). Ces résultats devront être validés et généralisés dans de futures recherches, pour que ces perspectives de recherches deviennent des méthodologies validées.

Développement d'une séquence IRM pour une quantification robuste et efficace de la vitesse du sang simultanément dans le cœur et les grands vaisseaux.

Doctorante : Marta BEGHELLA BARTOLI

Laboratoire INSA : CREATIS - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'image pour la Santé
École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'IRM en flux 4D (4D Flow MRI) est une technique d'imagerie par contraste de phase qui permet une évaluation complète de la fonction cardiovasculaire en fournissant des mesures volumétriques du flux sanguin tout au long du cycle cardiaque. La phase du signal IRM est proportionnelle à la vitesse et est limitée par le paramètre d'encodage de vitesse (VENC), ce qui restreint la plage de vitesses à -VENC et +VENC. L'IRM en flux 4D permet de capturer des modèles complexes de flux sanguins, incluant des vitesses faibles dans les veines et des vitesses élevées dans les artères. Le choix du bon VENC est crucial : un VENC faible entraîne un aliasing lorsque les vitesses dépassent ±VENC, tandis qu'un VENC élevé introduit du bruit, rendant les mesures de flux lent peu précises. Le VENC optimal équilibre un bon rapport signal sur bruit (VNR) pour des mesures de flux lent précises et une large gamme dynamique pour éviter l'aliasing. Pour étendre la gamme dynamique de la vitesse, des techniques à double ou multiple VENC sont utilisées, en acquérant des données avec différentes valeurs de VENC. Le déballage standard en double-VENC utilise les données VENC_high pour détecter les sauts de phase dans les données VENC_low, ajoutant ou soustrayant des multiples de 2n pour combiner les avantages des deux acquisitions. Cependant, dans les cas pathologiques, cette méthode est limitée par l'aliasing dans les données VENC_high en raison de vitesses imprévues et élevées. Pour résoudre ce problème, nous avons introduit une nouvelle séquence 4D Flow MRI à double-VENC, basée sur la règle des coprimes pour le rapport de VENC, permettant une gamme dynamique de vitesses étendue, accompagnée d'un algorithme de déballage de vitesses efficace en termes de temps, validé in vitro et démontré in vivo chez des patients présentant des pathologies cardiovasculaires. Malgré ces progrès, les séquences à double-VENC sont limitées par des temps d'acquisition longs. L'échantillonnage radial 3D a émergé comme une solution prometteuse, conservant les données de basse fréquence essentielles lors de l'undersampling, et étant plus résistant aux artefacts de mouvement. En utilisant des acquisitions en libre circulation et des techniques d'auto-gating, l'IRM en flux 4D avec échantillonnage radial 3D permet d'extraire les signaux cardiaques et respiratoires directement des données de k-space, éliminant le besoin d'appareils externes comme les ECG. Nous avons également étudié la performance de la séquence double-VENC coprime combinée avec l'échantillonnage radial 3D pour résoudre les limitations de temps d'acquisition des méthodes à double-VENC. Bien que l'IRM en flux 4D offre des mesures détaillées, sa nature chronophage et son coût élevé la rendent moins pratique comparée à l'échocardiographie, notamment le Doppler couleur, qui est abordable, portable et offre une imagerie en temps réel. Cependant, la nature unidimensionnelle du Doppler couleur et sa dépendance à l'angle d'incidence limitent sa capacité à capturer des modèles complexes de flux tridimensionnels. Des techniques comme la cartographie du flux vectoriel intraventriculaire (iVFM) ont été développées pour extraire des champs de vitesses bidimensionnels à partir des données Doppler couleur, fournissant une représentation plus précise de la dynamique du flux sanguin. Bien que l'iVFM ait été validé par des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD), des défis demeurent lors de la comparaison de ses résultats avec ceux de l'IRM en flux 4D, la norme en matière de mesures de vitesses de flux sanguin in vivo. Un défi majeur est la possibilité de divergences lors de la comparaison des champs de vitesses instantanés dérivés de l'iVFM avec les données moyennées dans le temps de l'IRM en flux 4D. Dans cette thèse, nous avons développé une méthodologie visant à réconcilier ces divergences en comparant les champs de vitesses mesurés par les deux techniques au sein du ventricule gauche.

Simulation numérique de la croissance d'anévrisme de l'aorte ascendante pour l'aide à la décision chirurgicale

Doctorante : Kexin YAN

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

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

Prévoir l'évolution de la croissance des anévrismes de l'aorte ascendante (AscAA) représente un défi majeur en raison de l'interaction complexe entre la géométrie aortique, le comportement des tissus et la dynamique des flux sanguins. Cette étude explore un modèle de Fluide-Structure­ Croissance (FSG), basé sur la théorie Homogenized constrained mixture model (HCMM), pour simuler de manière réaliste la croissance des AscAA. Le modèle par éléments finis est initialisé avec une zone de dégradation de l'élastine, définie par la distribution des contraintes de cisaillement pariétales moyennes (TAWSS) dérivées des simulations de dynamique des fluides computationnelle. Dans un premier temps, nous menons une étude paramétrique pour évaluer l'influence de paramètres d'entrée spécifiques-tels que la direction du jet d'entrée, qui détermine les zones de TAWSS élevé, et la prédéformation initiale, qui impacte l'état homéostatique des tissus-ainsi que des paramètres matériaux sur les résultats de simulation de croissance. Ensuite, nous calibrons ces paramètres pour reproduire la croissance observée dans cinq cas patients, dont un cas disposant de données longitudinales. Nous parvenons à reproduire cette croissance longitudinale en tenant compte des mises à jour du TAWSS et de la rigidité du support élastique. Nos résultats montrent que l'approche FSG proposée, combinée à un ajustement des paramètres sensibles, permet de reproduire avec succès les schémas de croissance observés cliniquement, en validant à la fois le diamètre de l'anévrisme et la distribution des déplacements par comparaison à l'imagerie CT de suivi. Ce travail montre un potentiel prometteur pour une application à d'autres cas patients, contribuant ainsi aux efforts visant à développer un outil prédictif pour soutenir la prise de décision clinique.

Développement et caractérisation de matériaux électroactifs conformables pour des applications médicales.

Doctorant : Simon TOINET

Laboratoire INSA : LGEF - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité

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

Les maladies cardiovasculaires restent la première cause de mortalité mondiale, et leurs complications représentent un défi majeur pour la santé publique. Depuis une quinzaine d'années, les techniques endovasculaires se sont imposées comme le traitement de référence pour les anévrismes et les maladies artérielles périphériques, grâce à leur capacité à réduire les risques chirurgicaux et les coûts de santé. Cette évolution a été soutenue par une collaboration entre chirurgiens vasculaires et ingénieurs, visant à améliorer la précision opératoire et optimiser les conditions en bloc opératoire, notamment par la conception de guides et sondes orientables. Cependant, aucune solution actuelle ne répond pleinement aux exigences en termes de fiabilité, sécurité et encombrement. Cette thèse a pour objectif de développer un guide de navigation intra-artériel orientable électriquement. Deux polymères électroactifs, à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF), ont été étudiés pour leur intégration dans un actionneur positionné à l'extrémité du guide. Une étude expérimentale combinant analyses électriques, mécaniques, structurelles, morphologiques et thermiques, appuyée par des modèles analytiques et éléments finis, a permis d'analyser les paramètres influençant la courbure de l'actionneur. Ces résultats ont conduit à l'élaboration d'une notice de calcul pour la conception optimale des actionneurs multicouches en flexion. L'optimisation du procédé de fabrication a permis de développer des actionneurs orientables à basse tension et faible courant, conformes aux normes de sécurité. Des prototypes de guides d'environ 1 mm, intégrant ces actionneurs optimisés, ont été fabriqués et testés dans un banc artère perfusé par un chirurgien. Les essais ont démontré la faisabilité du concept, atteignant les artères cibles du banc, constituant une preuve de concept solide du guide de navigation artérielle orientable électriquement.

Hydruration secondaire et fragilisation d'une gaine M5(Framatome) après sollicitation de type APRP

Doctorant : Apou Martial KPEMOU

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'hydruration secondaire, qui fait référence à une prise massive d'hydrogène par la gaine combustible due à l'oxydation à haute température de la surface interne de la gaine, peut survenir pendant un transitoire APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire), en cas d'éclatement de gaine permettant à la vapeur de pénétrer à l'intérieur. Ce phénomène peut ensuite induire une fragilisation de la gaine combustible et conduire à une rupture lors de la phase de renoyage. Plusieurs instituts de recherche internationaux réalisent des essais dits semi-intégraux afin de caractériser le comportement des gaines combustibles en APRP. Ces essais combinent plusieurs phénomènes interconnectés, rendant complexe une étude fine et à effets séparés du phénomène d'hydruration secondaire. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension du phénomène d'hydruration secondaire par le biais d'essais analytiques dédiés et couplés à des simulations physico-chimiques et mécaniques. Un protocole expérimental a été mis en place, pour simuler le phénomène d'hydruration secondaire en conditions APRP, afin de caractériser l'effet de divers paramètres. Les résultats expérimentaux obtenus indiquent que la quantité d'hydrogène absorbée par la gaine augmente à la fois avec la température d'oxydation (1100-1200°C) et la durée d'oxydation (100-1400s). Une tendance similaire a été observée en étudiant l'influence de différentes tailles de gap (80, 130 et 230 µm) et de différents diamètres d'ouverture (02 et 04 mm). Différentes méthodes de mesure de l'hydrogène ont été utilisées pour caractériser la distribution de l'hydrogène au sein du matériau après oxydation :la mesure par fusion dégazage, l'imagerie par neutrons et la µ-LIBS. Des techniques d'analyses locales (EPMA et µ-LIBS) ont également été employées afin de déterminer la distribution locale de l'oxygène et de l'hydrogène. Les essais à effets séparés ont été modélisés à l'aide du logiciel SHOWBIZ de l'ASNR. Les simulations réalisées ont permis de mettre en évidence les mécanismes de transport des gaz à l'intérieur de la gaine, ainsi que l'influence de différents paramètres. La tendance des résultats de simulations est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de fragilisation combinés des réactions d'oxydation et d'hydruration de la gaine ont été étudiés par le biais d'essais de flexion 4 points et par une modélisation mécanique de la rupture.