Étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein de paliers à éléments roulants

Doctorant : Florian DE CADIER DE VEAUCE

Laboratoire INSA : LAMCOS

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

La transition vers des véhicules électriques impose des vitesses toujours plus élevées au sein des transmissions mécaniques, entraînant davantage de pertes, principalement au niveau des paliers à éléments roulants. Afin d'améliorer l'efficacité énergétique des transmissions mécaniques, en particulier des roulements à billes, une compréhension approfondie des phénomènes physiques associés s'avère essentielle. Le présent travail de thèse se concentre sur l'étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein d'un roulement à billes. Les pertes et les températures de deux roulements à billes sont mesurées pour différentes conditions opératoires. Dans un premier temps, les roulements sont lubrifiés par injection. L'influence de plusieurs paramètres, tels que la vitesse de rotation, le débit et la température de l'huile injectée, sur les dissipations de puissance est analysée. Une modélisation thermo-mécanique du roulement est proposée en associant des modèles de calcul des pertes et un réseau thermique. Dans un second temps, les roulements sont lubrifiés par barbotage. Pour une hauteur faible du bain d'huile, les pertes générées sont égales à celles obtenues pour ces mêmes roulements lubrifiés par injection dans des conditions opératoires similaires. Pour des niveaux d'huile plus élevés, le comportement du bain change, entraînant une augmentation des pertes par traînée. Les modèles actuels ne prennent pas en compte la hauteur du bain et un nouveau modèle de pertes par traînée est donc proposé. Les échanges et les écoulements n'étant pas les mêmes entre les deux modes de lubrification, des modifications ont également été apportées au réseau thermique. Les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Une modélisation locale du roulement permet d'avoir une bonne précision sur les valeurs de pertes et de températures prédites, mais nécessite une connaissance de la géométrie interne du roulement. Tandis que les modèles globaux nécessitent un minimum d'information.

Étude du comportement thermomécanique des roulements à billes faiblement chargés

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les roulements entraînent des pertes de puissance non négligeables. La chaleur générée se dissipe dans les différents éléments du système et impacte à nouveau les pertes de puissance. Ce couplage, entre pertes et thermique, doit donc être pris en compte afin d’avoir une prédiction satisfaisante du comportement du roulement. Cette étude s’intéresse à des conditions de fonctionnement particulières : vitesse de rotation modérée (produit N.d_m<10^6), charge appliquée faible (<5% de la charge statique du roulement) et lubrification par injection de faibles débits d’huile (≤15L/h ). Pour ces conditions, les travaux menés dans la littérature ne permettent pas une estimation et une compréhension satisfaisante du comportement thermomécanique du roulement.
Ces travaux de thèse développent un nouveau modèle thermomécanique de roulement à billes. La thermique est modélisée à l’aide de la méthodologie des réseaux thermiques. Les pertes de puissances sont modélisées à partir de considérations tribologiques. Les modèles développés sont comparés à des mesures expérimentales, réalisées sur un banc d’essai dédié. Ce dernier permet de mesurer le couple de pertes généré par un roulement, tout en contrôlant un certain nombre de paramètres (vitesse, débit, charge). Les températures des bagues du roulement sont également mesurées, afin de maîtriser le comportement thermique.
Il résulte de cette étude que, pour les conditions étudiées, les pertes de puissance dans les roulements à billes sont principalement dues à un phénomène de roulement hydrodynamique. La compréhension de ce phénomène permet notamment d’expliquer l’origine des pertes de puissance indépendantes de la charge, telles que définies dans le modèle de Harris. Concernant la thermique du roulement, l’étude met en avant l’importance de la température des billes, notamment sur les phases de démarrage. En conclusion, le modèle développé permet une prédiction des pertes de puissance à 5% d’erreur et une prédiction des températures des éléments du roulement à ±1-2°C.

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach

Doctorant : Kévin DAIGNE

Laboratoire : LaMCoS

École doctorale :  ED162 MEGA

Il peut être observé par des coupes longitudinales d'une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l'intérieur du pneumatique. L'objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d'étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d'un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d'abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l'abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l'intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d'un minéral. Si l'ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d'utiliser les outils de la diffusion, notamment d'évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.

 

Similitude pour les vibrations et le rayonnement acoustique de plaques planes immergées : prise en compte du fluide lourd, des raidisseurs et de l'excitation par couche limite turbulente

Doctorant : Xavier PLOUSEAU-GUÉDÉ

Laboratoire INSA : LVA

École doctorale : ED162 : Mécanique, énergétique, génie civil, acoustique

Dans le secteur maritime, la maîtrise du bruit propre et du bruit rayonné des véhicules marins est un enjeu primordial. La caractérisation en amont de la réponse vibroacoustique de ces structures est nécessaire pour s'assurer une maîtrise des performances. Cependant, les structures développées dans ce secteur sont grandes, raidies, couplées à un fluide lourd et sont soumises à un écoulement turbulent, ce qui rend difficile, coûteux et chronophage de réaliser des expérimentations. Cette thèse étudie la possibilité de pallier ces contraintes en développant une approche basée sur la théorie des similitudes. Cette théorie permet de relier, par ce qu'on appelle des lois de similitude, deux systèmes et leurs réponses en fournissant les conditions dans lesquelles la réponse du système à taille réelle peut être prédite en évaluant la réponse d'un système à échelle réduite, dont les propriétés en termes de dimensions, de matériau, de fluide environnant et de chargement extérieur sont différentes. Plus particulièrement, ce projet de recherche s'intéresse au cas d'un panneau plan, raidi ou non raidi, chargé par un fluide lourd et excité par une couche limite turbulente. Le développement des lois de similitude fait apparaître des conditions à respecter afin d'obtenir une prédiction exacte de la réponse recherchée. Les lois et conditions de similitude sont tout d'abord étudiées et vérifiées numériquement. Ensuite, une campagne de mesures est réalisée afin de valider ces lois pour des panneaux excités par une couche limite turbulente en air. Une attention particulière est portée à l'estimation de la puissance acoustique rayonnée par les panneaux excités par une couche limite turbulente, en développant deux méthodes : l'une basée sur la matrice interspectrale vibratoire du panneau et l'autre à partir de la pression acoustique en champ proche et du principe d'holographie acoustique.

Modélisation CFD du Transfert de Chaleur et de Masses dans une Remorque de Camion Réfrigérée équipée de Plaques Eutectiques

Doctorant : Jihyuk JEONG 

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Le système de refroidissement par plaques eutectiques (matériau à changement de phase, MCP) est une possible alternative aux systèmes conventionnels de réfrigération alimentés par des combustibles fossiles pour le transport de produits alimentaires surgelés ou réfrigérés dans des remorques de camions. Des modèles numériques ont été développés pour évaluer sa faisabilité et ont été validés avec succès par rapport à des résultats numériques et expérimentaux issus de la littérature.

Initialement, un modèle d'infiltration d’air dans la remorque a été développé utilisant un modèle de turbulence k-ω SST pour prédire le comportement thermoaéraulique de l'air pendant les périodes d'ouverture des portes. Différentes configurations des plaques eutectiques et des ventilateurs ont été analysées. Sans cargaison, les plaques disposées en série le long du plafond de la remorque ont montré un temps de renouvellement plus élevé que celles disposées en parallèle à l'arrière, en raison des zones de recirculation. Cependant, une fois la cargaison introduite, les deux configurations offrent des performances similaires car les zones de recirculation n'ont pas pu se former.

Par ailleurs, un modèle multiphasique granulaire eulérien-eulérien a été développé pour prédire la formation et la croissance du givre sur les plaques eutectiques. Le modèle de turbulence k-ω SST a été intégré pour étendre l'applicabilité du modèle de givre à une gamme plus large de vitesses d’air. Un modèle de solidification et de fusion a également été implémenté et couplé aux modèles précédents. Avec ce modèle combiné, les performances d'un système eutectique ont été étudiées pour des conditions estivales typiques à Montréal, Canada. Environ 2.3 % du MCP change effectivement de phase au cours des 120 premières secondes. Globalement, le système eutectique offre une alternative viable au système conventionnel, bénéficiant des mécanismes de prévention des infiltrations ou de dégivrage.

A new approach of lubricant behavior in highly loaded contact

Doctorante : Marjolaine GONON

Laboratoire INSA : LaMCos

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

This doctoral research focuses on lubricants behavior in highly loaded lubricated contacts (pressure > 1 GPa), or EHD (elastohydrodynamic) contacts, a vital aspect of engineering and industry. Under such high load, the friction coefficient (= tangential force/normal load) measured in these contacts may display a plateau regime at medium to high sliding velocities of the solid surfaces. It means that the macroscopic average shear stress becomes shear rate independent, associated in the literature to the lubricant Limiting Shear Stress (LSS)]. Previous work provided on molecular dynamic simulations revealed homogeneous and linear lubricant velocity profiles across the lubricant film thickness, even in the friction plateau regime, with no sliding at the walls. This implies that the friction plateau should result from an intrinsic property of the lubricant, reminiscent of the lubricant glass transition scenario. The present study investigates three model fluids: squalane, benzyl benzoate, and glycerol. Those fluids have been characterized in a high- pressure diamond anvil cell and a rheometer, both combined to two Brillouin light scattering spectroscopy set-ups. The results obtained from the new VIPA rig have been compared to those from TFP-1 and the literature. The results from high-pressure experiments have been compared to friction measurements previously conducted on squalane and benzyl benzoate. The study shows a correlation between the glass transition of these fluids and the onset of the friction plateau in EHD contacts. This research advances our understanding on friction in highly loaded lubricated contacts and highlights the importance of considering local dynamics when studying complex fluids under extreme conditions.These insights have the potential to improve lubricant development and to address friction-related challenges in engineering and industry.

Probabilistic Metamodels to Assess Global NVH Performance of Electric Vehicles

Doctorant : Vinay PRAKASH

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

L'électromobilité pose de nouveaux défis en matière de conception et de développement des véhicules. Les caractéristiques de bruit, de vibration et de rudesse (NVH) d'un véhicule sont cruciales, car elles influencent à la fois le confort des passagers et les considérations environnementales. L'évolution rapide des véhicules électriques (VE) nécessite une prise de décision rapide de la part des concepteurs NVH dès les premières étapes du cycle de conception. L'évaluation des risques NVH devient encore plus difficile en raison de la présence de divers paramètres fonctionnels (par exemple, les conditions de fonctionnement, les paramètres de conception) et des différentes incertitudes qui y sont associées, par exemple, la connaissance partielle, la dispersion des données basées sur les mesures, etc. En conséquence, ce travail se concentre sur le développement de métamodèles probabilistes rapides et complets capables de quantifier de telles incertitudes reliant les paramètres fonctionnels aux indicateurs globaux de performance NVH. L'accent est mis en particulier sur l'évaluation des bruits tonaux à bande étroite provenant des groupes motopropulseurs électriques des VE à batterie, ainsi que sur les bruits de masquage à bande large résultant du vent aérodynamique et des effets de l'interaction pneu-chaussée. La méthodologie choisie utilise un cadre bayésien couplé à des techniques d'échantillonnage de Markov Chain Monte Carlo. Cette approche facilite l'incorporation de connaissances préalables (par exemple, d'experts du domaine automobile) et permet la propagation d'incertitudes à travers de multiples domaines physiques, qui sont estimés par des approches semi-analytiques enrichies par des bases de données expérimentales. Le cadre probabiliste développé est censé fournir un soutien inestimable aux concepteurs NVH en les aidant à déterminer/affiner les paramètres fonctionnels, à évaluer les niveaux acoustiques globaux à l'intérieur de la cabine passagers et à prendre des décisions éclairées dans la recherche d'améliorations des performances NVH des véhicules.

Mise au point d’une méthodologie de déconnexion des eaux urbaines à l’échelle d’un bassin versant

Doctorante : Violeta Alexandra MONTOYA CORONADO

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

À l’ère de l’anthropocène, les villes se voient confrontées à la nécessité d’adapter leurs systèmes de drainage urbain, et de mettre en place une gestion intégrée des eaux pluviales visant à minimiser les rejets urbains par temps de pluie, notamment les rejets des déversoirs d’orage.
Trois objectifs étaient visés dans le cadre de cette thèse : (i) comprendre et conceptualiser les phénomènes complexes du système urbain afin de développer un modèle hydrologique et hydraulique (HH) à l’échelle du bassin versant urbain qui soit peu gourmand en paramètres d’entrée, et qui puisse modéliser les déversements à l’échelle annuelle ; (ii) améliorer les connaissances sur l’élaboration des stratégies de gestion des eaux pluviales à la source permettant de répondre aux défis liés aux déversements du réseau unitaire et ; (iii) évaluer l’impact, sur les déversements, de la dissémination globale (à l’échelle du bassin versant) et ciblée (à l’échelle de sous bassins versants) des ouvrages de gestions des eaux pluviales et leur robustesse pour faire face au changement climatique.
Pour répondre à ces objectifs, les différentes composantes urbaines contribuant aux déversements ont été caractérisées et quantifiées. Un modèle HH à base physique, parcimonieux et permet de simuler les déversements. L’évaluation du modèle a montré sa capacité à simuler les volumes déversés et fréquences de déversement à l’échelle annuelle. Ce modèle a été utilisé par la suite pour simuler des scénarios d’aménagement urbain. Les résultats montrent que si une gestion basée sur la déconnexion et la désimperméabilisation permet de réduire efficacement le volume et la fréquence de déversements, cet effort doit être réparti sur l’ensemble du bassin versant pour atteindre les niveaux réglementaires exigés. Enfin, une étude de sensibilité a montré que de telles stratégies de gestion des eaux pluviales permettraient d’atténuer les effets du changement climatique.

Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle: modelling and experimental approach

Doctorant : Cong YOU

Laboratoire INSA : CETHIL

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

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle.

The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance.

The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0- D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures.

In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.

Transferts et processus associés aux résidus de médicaments humains et vétérinaires et aux biocides des boues urbaines et des lisiers utilisés comme fertilisants

Doctorante : Noémie PERNIN

Laboratoire INSA : DEEP

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

Les boues urbaines contiennent des résidus pharmaceutiques et des biocides divers, partiellement traités dans les stations d’épuration. Le lisier contient des pharmaceutiques vétérinaires et des biocides utilisés pour le nettoyage des installations d’élevage. Les boues comme les lisiers sont épandus comme fertilisant pour l’agriculture. Des traces de résidus pharmaceutiques humains et vétérinaires, ainsi que des biocides sont ainsi présents dans de nombreuses rivières et aquifères, et dans les sols agricoles en France et dans le monde entier.
La thèse est consacrée à l'évaluation des transferts et des processus associés (dégradation, infiltration, adsorption, etc.) liés aux résidus pharmaceutiques et aux biocides provenant à la fois des boues des stations d'épuration urbaines et des lisiers épandus sur les champs comme engrais pour l'agriculture. Elle fait partie du projet Telesphore réalisé sur l'observatoire SIPIBEL. L'objectif principal est d'évaluer la contamination possible par les produits pharmaceutiques et les biocides des sols et des eaux souterraines due à l'épandage de produits résiduaires organiques (PRO) comme fertilisants. La partie expérimentale est bâtie sur trois échelles d’étude (i) des essais en microcosme pour caractériser la sorption à des sols et des mélanges sol/PRO (ii) des essais en conditions contrôlées sur colonnes de sol pour évaluer les transferts verticaux et (iii) des campagnes in situ sur des lysimètres (Fig. 1) soit en condition réelle d’épandage, soit en taux d’application élevé de PRO. Les paramètres de sorption obtenus par les essais en microcosme sont utilisés pour la modélisation sur HYDRUS 1D du transfert réactif des essais sur colonnes de sol.