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).
 

Contribution à l'étude du comportement des structures renforcées par des armatures en fibres de carbone

Doctorant : Astérios VALOGIANNIS

Laboratoire INSA : GEOMAS

École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Steel corrosion is one of the main causes of mechanical deterioration of reinforced concrete structures during their lifetime. A promising alternative for their reinforcement is the Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars. These bars are also being studied in the context of reinforcing the underground structures that will host the radioactive waste produced in France, through related research projects carried out by the French National Agency for Radioactive Waste Management (ANDRA). The research conducted through this PhD thesis contributes to gaining more knowledge about the behavior of these bars by focusing on their interaction with concrete. Four types of carbon FRP (CFRP) bars were selected for this study, which differ, among others, in their surface treatment as follows: ribbed, sand-coated, smooth and twisted bars. Conventional steel bar is also used for comparison purposes. Steel-reinforced and CFRP-reinforced cubic concrete samples with 20 cm on each side are tested in pull-out loading to evaluate and quantify the concrete/bar bond behavior. Each CFRP bar exhibits a different bond performance attributed mainly to the composition and geometry of their outer surface, with ribbed bar presenting the highest bond strength among CFRP bars. Some of the CFRP-reinforced samples are also subjected to partial pull- out loading, while others remain unloaded. Cylindrical samples of 0.6-2.5cm thickness and 4.2cm in diameter obtained by core drilling from the CFRP-reinforced samples are studied using Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy, indentation and push-out tests. The objective is to understand the interface behavior and its failure mechanisms. One of the notable results is the poor concrete-carbon fibers bond and the good concrete-polymer bond. Bond strength values obtained from pull-out tests with CFRP bars are converted to anchorage length in beams. This additionally requires the determination of parameters resulting from the beams design. A steel- reinforced concrete beam is also studied for comparison purposes.

Écoulement intraventriculaire en échocardiographie Doppler avec réseaux de neurones fondés sur la physique

Doctorant : Hang Jung LING

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

Les maladies cardiovasculaires sont les principales causes de décès dans le monde, causant plus de 20 millions de décès chaque année. L'évaluation de la santé cardiaque est cruciale pour prévenir ces maladies. Pour cela, l'échocardiographie est couramment utilisée en routine clinique à cause de sa portabilité et de son coût abordable. Les examens échocardiographiques évaluent la fonction systolique et diastolique du cœur, mais les mesures de la fonction diastolique peuvent parfois donner des résultats de diagnostic discordants. Explorer des biomarqueurs alternatifs, comme le flux sanguin intracardiaque, pourrait améliorer la précision de la quantification de la fonction diastolique. La cartographie du flux vectoriel intraventriculaire ou “intraventricular vector flow mapping” (iVFM) est une technique qui reconstruit le flux sanguin vectoriel à partir des champs scalaires fournis par l'échocardiographie Doppler couleur, mais elle nécessite des étapes de prétraitement chronophages. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'apprentissage profond (DL) pour automatiser ces étapes, y compris la segmentation du ventricule gauche et la correction des artefacts de repliement de phase ou l'aliasing. Nous avons également développé des méthodes basées sur les réseaux de neurones fondés sur la physique pour reconstruire l’écoulement vectoriel intraventriculaire, montrant que ces approches peuvent améliorer l'efficacité et la précision de l'iVFM. L'automatisation complète du pipeline d'iVFM à l'aide de réseaux de neurones, de la segmentation à la reconstruction du flux vectoriel, améliore la fiabilité de l'iVFM. La prochaine étape serait d'appliquer cet outil en milieu clinique pour explorer et extraire de nouveaux biomarqueurs basés sur le flux, ce qui pourrait bénéficier à la détection précoce des maladies cardiovasculaires.

Multi-criteria decision making for sustainable engineering systems

Doctorant : Majid BASEER

Laboratoire INSA : CETHIL UMR5008

École doctorale : ED162 MEGA

The trend towards sustainability in the building sector is gaining momentum, driven by environmental regulations and societal will. Although new building projects adhere to established standards, they replace only 1-3% of existing buildings annually. Renovation projects often present challenges such as the presence of uncertain data, varied stakeholder’s interests, and complex sustainability factors. To address these limitations, this thesis aims to integrate uncertainty into the decision-making process. The thesis develops a multi-criteria decision-making (MCDM) framework based on sustainability factors encompassing economic, environmental, social, and technical aspects for energy renovation of existing buildings. In contrast to existing deterministic MCDM methods, this framework incorporates uncertain data, yielding more realistic outcomes. A review of established MCDM methods was conducted, followed by a SWOT analysis to select a suitable method for the research problem. The application of MCDM methods in building energy renovations was examined to understand sustainability factors comprehensively. To address uncertainty, probability distribution and Monte Carlo simulation are integrated with MCDM methods. These tools represent uncertainty, simulate decision-making, and handle ambiguity. The novel MCDM framework, probabilistic ELECTRE Tri, has been developed based on the ELECTRE Tri method, probability distribution, revised Simos method, and Monte Carlo simulation. This framework was specifically developed for the classification of scenarios for building energy renovation. It was validated through a case study of a social housing project in Lyon, France. The results from the probabilistic ELECTRE Tri method were compared with those from ELECTRE Tri, underscoring the significance of incorporating uncertainty in decision-making. The developed framework enhances transparency, adaptability, flexibility, and user understanding, benefiting stakeholders. It is generic and can improve the objectivity and consistency of decision- making. Additionally, it advances sustainable building renovation and aligns with global environmental and energy efficiency goals. Keywords: multi-criteria decision making, ELECTRE Tri, uncertainty, probability distribution, energy renovation, sustainability.

« Identification par radioscopie X et thermographie in-situ du bain de fusion lors de la fabrication additive d'une pièce métallique »

Doctorant : Loïc JEGOU

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les promesses des procédés de fabrication additive de pièces métalliques sont nombreuses : concevoir des géométries complexes, maîtriser les propriétés mécaniques, réduire la quantité de matière première nécessaire... Pourtant, les technologies additives par laser ont encore aujourd'hui bien du mal à s'imposer dans le domaine industriel.
La stabilité du bain de fusion, la zone fondue par le laser où se déroule l’apport de matière, est un élément critique de la maîtrise de ces procédés.
Les travaux de thèse ont porté sur la surveillance du bain de deux façons différentes. D’abord à l’aide d’une caméra RGB pour effectuer des mesures thermiques en surface du bain grâce à la méthode bichromatique. Puis ensuite via la mise en place d’un dispositif expérimental mobile pour effectuer du contrôle par rayons X. L’utilisation d’auto- encoders, un type de réseau de neurones pour l’analyse d’images, a permis d’identifier le bain de fusion sur les radioscopies.
 

Optimal Dynamic Routing for Urban Networks: a Mathematical Programming Approach with Complete Integration of Traffic Flow Features

Doctorante : Mme Niloofar SHAKOORI

Laboratoire : LICIT
Ecole doctorale : ED162 MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)
 

Urban transportation networks face increasing challenges from congestion and environmental impacts, necessitating a balance between system efficiency and environmental sustainability. Optimal routing strategies are essential but traditional Dynamic Traffic Assignment (DTA) models often fall short due to their reliance on triangular fundamental diagrams, which may not accurately represent urban traffic complexities. Moreover, existing frameworks generally prioritize travel time over environmental objectives like emissions, underscoring the need for a refined approach that integrates realistic traffic features with optimization frameworks addressing both efficiency and environmental impact.

This thesis advances System-Optimal Dynamic Traffic Assignment (SO-DTA) literature by introducing a Link Macroscopic Fundamental Diagram (MFD)-based traffic model to better represent urban traffic dynamics. This model is integrated within a Mathematical Programming (MMP) context using piecewise linear (PWL) functions, designed to optimize both total system travel time (TSTT) and total system emissions (TSE) in general networks. Furthermore, the framework rigorously incorporates the Vehicle Holding (VH) problem and the First-In-First-Out (FIFO) principles simultaneously. While literature often addresses VH and FIFO separately due to their complexities, including both enhances the operational effectiveness of DTA models.

Key contributions of this thesis include: (1) a novel link MFD-based traffic model that captures urban traffic dynamics more accurately, (2) integration within an MMP framework employing PWL approximations, (3) dual-objective optimization for TSTT and TSE, enhancing applicability in urban contexts, (4) refined NVH formulation within the PWL formulation of the link MFD-based traffic model, and (5) explicit integration of the FIFO principle to model operational effectiveness. Additionally, solution strategies, including rolling horizon techniques and path selection strategies, are proposed to address computational challenges and improve the scalability and performance of the proposed framework.

« Contrôle actif de l'ensemble roue-pneu pour la réduction de la transmission vibratoire solidienne »

Doctorant : Antoine CARVALHO

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale :  ED162 MEGA

Avec l’essor des véhicules électriques, le bruit de roulement jusqu’alors masqué par d’autres sources de pollutions sonores émanantes des véhicules pose un réel problème de confort pour les passagers. La structure des véhicules, les pneumatiques ainsi que les systèmes de suspensions permettent d’atténuer certains effets indésirables du contact pneu-chaussée à hautes et basses fréquences. Cependant peu de solutions techniques sont déployées pour traiter les phénomènes vibratoires transmis par les ensembles montés entre 200 et 500 Hz. Cette thèse est construite autour de trois axes : l’approfondissement de la compréhension du comportement dynamique des assemblage roue-pneu, la mise au point et maitrise d’un set de dispositifs expérimentaux, la réalisation d’un système et d’une loi de contrôle permettant de diminuer les efforts transmis dans les moyeux. Des travaux effectués sur 4 différents dispositifs expérimentaux ont permis de minimiser les incertitudes liées à la dynamique évolutive de la structure à contrôler. Ceci permettant de mieux définir le champ d’action de la solution à proposer. Par le biais de ces résultats un réseau de transducteurs piézoélectriques, utilisés comme capteur et actionneurs, est proposé. Différentes solutions de contrôle robuste ont été étudiées, notamment une combinant du contrôle actif et un filtre modal spatial ainsi qu’une autre exploitant un contrôleur à mode glissant. Ces solutions ont d’abord été étudié numériquement puis elles ont été testées sur la structure à l’échelle 1:1. En parallèle de ces travaux, des études de robustesses des solutions proposés ont été réalisé. Le système de contrôle le plus avancé est finalement testé dans des conditions réalistes de fonctionnement avec un chargement, un contact avec le pneumatique assimilable à celui obtenu avec la chaussé et avec rotation de l’ensemble. Une atténuation des deux modes ciblés est obtenue pour différentes vitesses de rotation.

Caractérisation vibratoire de structures par méthodes inverses et mesures plein champ

Doctorant : Nicolas Madinier

Laboratoire INSA : LVA

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

Le développement de nouveaux matériaux alliant résistance mécanique et légèreté est un enjeu d'actualité dans de nombreux secteurs industriels. Afin de pouvoir utiliser ces matériaux, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques. Pour les déterminer, des méthodes inverses analysant le comportement vibratoire de la structure peuvent être utilisées. Dans ce travail de thèse, deux méthodes sont utilisées : la Résolution Inverse (RI) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV).
Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées avec la déflectométrie optique, une méthode de mesure plein champ. L'utilisation de cette méthode de mesure avec les deux méthodes inverses permet d'obtenir des cartographies précises de la rigidité de flexion et de l'amortissement de la structure étudiée. La déflectométrie optique mesure les pentes du champ de déplacement. Une opération de gradient inverse permet de remonter au champ de déplacement. Afin de supprimer cette opération, le développement de formalismes sur les pentes de RI et de la MCV est proposé. Ces formalismes sont testés avec des simulations numériques puis une étude expérimentale est présentée.
Dans un second temps, une variante de la MCV est développée. Cette variante a pour but d'appliquer la méthode en hautes fréquences où RI et la MCV ne sont plus applicables. La Résolution Inverse Corrigée est une variante de RI qui a pour but d’appliquer la méthode dans les hautes fréquences.
La variante de la MCV qualifiée de Méthode des Champs Virtuels Adaptée en Fréquence consiste à déterminer à chaque fréquence la taille de l’intervalle d’intégration des intégrales du Principe des Travaux Virtuels (une forme faible de l'équilibre local sur laquelle se base la MCV). Elle est développée pour la poutre d'Euler-Bernoulli et la plaque de Love-Kirchhoff et est testée sur des données expérimentales pour identifier la rigidité de flexion complexe d'une plaque amortie localement.

 

« Advanced signal processing methods for source identification using references »

Doctorant : Muhammad Nabil Mustafa ALBEZZAWY

Laboratoire INSA : LVA

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

Les techniques de référence à rang réduit sont couramment employées pour résoudre les problèmes d’extraction de source et de resynchronisation de champs physiques, lorsque le nombre de références dépasse celui des sources incohérentes. Dans ce cas, la matrice inter-spectrale devient mal conditionnée, rendant la solution des moindres carrés invalide. Bien que la décomposition en valeurs singulières tronquée (DVST) soit utilisée pour résoudre ce problème, elle n'est valable que pour un bruit scalaire sur les références. De plus, il est difficile de définir un seuil de troncature lorsque les valeurs singulières diminuent progressivement. Cette thèse propose une solution nommée technique de référence maximale-cohérente (RMC), basée sur la recherche d’un ensemble de références virtuelles maximalement corrélées avec les mesures de champ. Cette technique est optimale, surtout en présence d’un bruit corrélé sur la référence. Cependant, elle nécessite également une troncature des valeurs propres, exigeant la connaissance ou l’estimation préalable du nombre de sources incohérentes, un problème inverse mal posé et peu étudié. La thèse présente trois méthodes d’énumération des sources applicables à toutes les techniques de référence : un test du rapport de vraisemblance contre le modèle saturé, une technique de bootstrap paramétrique et une approche de validation croisée. Une étude comparative basée sur des données numériques et expérimentales montre deux résultats importants. D'abord, le nombre de fenêtres spectrales utilisées affecte grandement la performance des trois méthodes, qui se comportent différemment selon ce nombre. Ensuite, le bootstrap paramétrique s’avère être la meilleure méthode en termes de précision et de robustesse par rapport au nombre de fenêtres utilisées. Enfin, la technique RMC accompagnée de bootstrap a été utilisée pour l’extraction de source et la resynchronisation de données réelles provenant d’expériences en laboratoire et d’un moteur électrique, fournissant de meilleurs résultats que la solution des moindres carrés et la DVST dans les mêmes conditions.

 

Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Doctorant : Félix SCHMITT

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT- CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.