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.

 

Numerical assessment of heat stress in dwellings and immediate surroundings: development of a Microclimate Zonal Model coupled to Buildings models

Doctorante : Flavia BARONE

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED 162 : MEGA

La persistance des épisodes de surchauffe urbaine affecte directement l’exposition aux stress thermique tout particulièrement en milieu urbain. Le but de cette thèse est donc de développer une méthodologie numérique pour évaluer le stress thermique quotidien et saisonnier dans le logement et son environnement proche. L’exposition est étudiée selon une approche eulérienne, par rapport à un lieu fixe, et une approche lagrangienne, par rapport au déplacement de l’individu. Ainsi, la thèse introduit les concepts de stress thermique, définit les indicateurs nécessaires et identifie les variables climatiques influentes ainsi que leurs échelles spatiales et temporelles. L’absence d’une approche de modélisation appropriée au stress thermique aux échelles spatiales et temporelles ciblées, conduit à développer et coupler un modèle zonal de microclimat (McZM) avec un modèle de bâtiment. Le McZM repose sur une interpolation linéaire des débits massiques obtenus avec un précalcul CFD k-epsilon RANS stationnaire. Les simulations CFD sont également utilisées pour prédire les vitesses du vent spatialisées, les coefficients de transfert convectifs et les coefficients de pression. Le McZM inclut un modèle de sol et des modèles radiatifs pour les calculs du rayonnement solaires et de grandes longueurs d’ondes, ainsi que pour le calcul de la température radiante moyenne. Pour les écoulements dans le bâtiment, un modèle de pression couplé au McZM et au modèle de de bâtiment est développé. Les composants des modèles sont soumis à une validation par comparaison avec d’autres modèles ou des données expérimentales. Une application du modèle sur un ilôt à Confluence, confirme les avantages de l’utilisation d’une approche spatialisée dans l’évaluation du stress thermique. Ce cas permet également d’évaluer les avantages relatifs de la mise en œuvre de différentes mesures de rafraîchissement sur le stress thermique.
Des perspectives d’amélioration du McZM actuel et de son processus de validation son suggérées.
 

Analysis and rendering of contact vibrational stimuli for tactile perception

Doctorante : Livia FELICETTI

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

Among the 5 senses, the sense of touch is between the most articulated and the least understood. While we are able to master the signals that underlie sight and hearing, rendering them using loudspeakers and visual interfaces, the mechanisms underlying the sense of touch are still largely unknown. Touch, originating by the contact between the skin and the explored surface and involving several types of stimuli, requires a strongly multidisciplinary approach and involves a wide range of disciplines, such as Medicine, Neurosciences, Psychology, Dynamics, Tribology, Materials Sciences, and beyond. Tribology and Dynamics are involved in the study of all those complex phenomena that occur at the contact and that generate mechanical stimuli such as Friction-Induced Vibrations and contact forces, at the origin of the stimulation of skin’s mechanoreceptors. This Ph.D. thesis is collocated into a research line closely dedicated to the investigation of the role of Friction-Induced Vibrations (FIV) in mediating between the characteristics of surface textures and the way in which textures are perceived and discriminated. Analyses of vibrational stimuli originating from the exploration of periodic and isotropic textures have been carried out in the present work, revealing different key features in the discrimination of such textures. A tactile rendering device, named PIEZOTACT, has been developed to reproduce/mimic the FIV previously measured during the exploration of real surfaces, conducing as well campaigns on groups of volunteers, to evaluate their ability to discriminate real and simulated textures starting from the sole vibrational tactile stimuli. Finally, a multi-disciplinary collaboration with laboratories form Neurosciences and Psychology has been performed to evaluate the brain's response to the mechanical stimuli generated by the exploration of real and simulated surfaces.

 

Etude expérimentale et numérique de l'impact de la microstructure sur l'endommagement des roulements de ligne d'arbre moteur sous indentation

Doctorant : Amakoe Komlanvi AHYEE

Laboratoire INSA : LamCos

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les roulements sont des composants mécaniques essentiels qui facilitent la transmission de puissance et le guidage en rotation avec un frottement réduit. L’endommagement en surface reste aujourd’hui la principale source de défaillance des roulements, il est la plupart du temps dû à la présence de défauts en surface tels : les rugosités et les indents.
Cette étude porte donc sur la compréhension des mécanismes d'endommagement en surface des roulements dus à l'écrasement des particules. Ainsi une caractérisation des matériaux des roulements (M50, 32CDV13, M50NiL, M50NiLDH) ayant subi des traitements thermochimiques a permis d’identifier le gradient de micro-dureté ainsi que les lois de comportement matériau et leurs évolutions. Des modèles semi-analytiques prenant en compte les effets des bords ont été élaborés, mettant en évidence que les bords libres induisent une augmentation de l’amplitude de la pression de contact de Hertz ainsi qu’un décalage de cette dernière. Ainsi l’utilisation des solutions de Hertz pour résoudre le contact peut entraîner des erreurs pouvant atteindre jusqu’à 20% de la pression maximale de Hertz dans le cas d’un massif de dimension finie. Les effets de bords disparaissent et peuvent être négligés à partir d’une distance d/a ≥ 4. Pour simuler l’indentation sur les pistes de roulement, un modèle par éléments finis de type « couplé Euler-Lagrange » a été adapté afin de reproduire le processus d’indentation réel des roulements et d’en étudier les influences. Une étude paramétrique exhaustive du processus d’indentation a été menée, révélant ainsi que la taille, la nature, la forme et la position de la particule, les matériaux des roulements, la présence de glissement et son taux critique, ainsi que les contraintes résiduelles ont une influence significative sur la formation du bourrelet. L’étude de la fatigue de surface a impliqué l’utilisation de critères de fatigue notamment des critères dérivés de Dang van afin de localiser les sites d’amorçage des fissures. En s’appuyant sur la limite d’endurance expérimentale identifiée dans les travaux de Jacq et al. un critère d’endommagement basé sur la pente moyenne des bourrelets a été identifié. Ce critère permet de relier les propriétés des particules ainsi que les dimensions de l’indent. La pente moyenne critique ainsi que la hauteur de bourrelet critique sont donc identifiées via l’utilisation des expressions analytiques établies traduisant l’évolution des paramètres d’indentation.

 

Etude du confort vibratoire et acoustique en cabine d’avion sous l’influence de la rotation des moteurs ou des phénomènes de turbulences

Doctorante : Sarah JIBODH-JIAOUAN

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique Energétique Génie civil Acoustique

Airbus répond à la demande croissante des passagers d'avions commerciaux en quête d'un vol confortable, avec moins de bruit et de vibrations. Cependant, les normes actuelles ne correspondent pas toujours aux sensations ressenties par le personnel navigant. De plus, il n'existe actuellement aucun modèle d'inconfort intégrant à la fois les stimuli sonores et vibratoires pour une application dans l’aviation. Dans cette thèse, des tests perceptifs ont été menés pour mieux comprendre et modéliser la perception de l'inconfort causé par différentes sources, à travers deux axes de recherche distincts. Le premier axe s'est concentré sur les vibrations et le bruit générés par la rotation des turboréacteurs synchronisés et désynchronisés. Les résultats ont montré que les participants sont sensibles à la fréquence de rotation des moteurs synchronisés, ainsi qu'à son amplitude. En revanche, pour les moteurs désynchronisés, les variations d'amplitude de modulation ou de fréquence de modulation n'ont pas semblé affecter la sensibilité des participants. La sonie est apparue comme un paramètre pertinent pour évaluer l'inconfort acoustique, bien limitée. En ce qui concerne l'inconfort vibratoire, la norme ISO 2631-1 a été jugée adéquate pour estimer l'inconfort dans le cas des moteurs synchronisés, mais elle ne tient pas compte des phénomènes de modulation. Les participants ressentent les vibrations dans leur ensemble, sans qu'une zone spécifique du corps soit particulièrement touchée. Un modèle linéaire a été développé pour estimer l'inconfort global, intégrant à la fois l'inconfort acoustique et vibratoire, mais uniquement pour les moteurs synchronisés. Pour les moteurs désynchronisés, seul l'inconfort vibratoire était pertinent. Le deuxième axe s'est penché sur la perception subjective et physiologique de l'inconfort vibratoire causé par des turbulences. Les résultats ont montré que l'ISO 2631-1 permettait d'estimer de manière adéquate l'inconfort vibratoire dans ces situations. De plus, des mesures physiologiques, pourraient être utilisées pour soutenir les évaluations subjectives.