Étude théorique et numérique de systèmes thermophotoniques en champ proche appliqués à la récupération d'énergie

Doctorant : Julien LEGENDRE

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Dans un système thermophotonique en champ proche, une diode électroluminescente chaude est placée à faible distance d'une cellule photovoltaïque maintenue à température ambiante. Le rayonnement émis par la diode électroluminescente, qui présente une intensité élevée grâce aux phénomènes d'électroluminescence et d'effet tunnel de photons, permet à la cellule photovoltaïque de produire une quantité importante d'énergie électrique : le système convertit la chaleur fournie au corps chaud en électricité. Dans cette thèse, on analyse le fonctionnement de ce système par des approches théoriques et numériques. La conversion rayonnement-puissance électrique ayant lieu dans les deux composants est d'abord modélisée à l'aide d'équations de conservation. Cela permet de développer une expression analytique de la valeur maximale de l'efficacité au maximum de puissance pour un rayonnement monochromatique ou à large spectre. Des efficacités quantiques élevées doivent être considérées pour rendre la puissance de sortie et l'efficacité compétitives. Le transport de charges dans les semi-conducteurs est ensuite simulé grâce à un code résolvant les équations de dérive-diffusion en une dimension et incluant l'émission thermoïonique et l'effet tunnel aux interfaces, permettant l'étude de structures réalistes. L'optimisation de systèmes composés d'homostructures permet d’introduire un dispositif capable de générer une puissance maximale de l'ordre du W.cm-2 pour une diode électroluminescente à 600
K. Son analyse révèle l'importance de la configuration en champ proche, l'augmentation de l'efficacité quantique qu'elle induit étant essentiel au bon fonctionnement du système. On propose finalement un dispositif plus robuste, basé sur des hétérostructures composées de couches actives en InGaAs et de couches de confinement en InGaP. Cette architecture permet de conserver une puissance électrique élevée même lorsque des pertes auparavant négligées sont considérées, la puissance maximale ne diminuant alors que d'un facteur 4. Ces travaux démontrent que cette technologie de récupération d’énergie originale est prometteuse pour des températures de quelques centaines de degrés Celsius.

 

Développement de méthodes de fusion, modélisation et classification des indicateurs vibratoires de surveillance des ensembles mécaniques basées sur les paramètres d’utilisation. Application à l’hélicoptère

Doctorant : Maxime MEUTERLOS

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les systèmes VHMS (Vibration Health Monitoring System) installés sur les hélicoptères ont un rôle stratégique pour augmenter la sécurité en vol des opérateurs et passagers. Ces systèmes consistent à enregistrer des données opérationnelles en vol, en particulier de nature vibratoire, et à surveiller l’intégrité des ensembles mécaniques par le biais d’indicateurs issus du traitement des signaux. Le principe de base se fonde sur le postulat que l’apparition d’un mode de défaillance engendre une évolution caractéristique des valeurs des indicateurs. Une limite rencontrée par les systèmes VHMS est cependant liée à la forte dépendance des indicateurs aux conditions de vol qui, pour les hélicoptères, sont susceptibles de varier rapidement et de manière complexe. Ces variations, aujourd’hui difficilement maîtrisées, peuvent masquer la signature d’une défaillance mécanique. Il en résulte donc une ambigüité sur l’interprétation de l’origine d’évolution observée des indicateurs. \\ \\
Dans ce manuscrit, des méthodes de normalisation sont développées permettant d’estimer des indicateurs vibratoires normalisés, c'est-à-dire insensibles aux conditions de vol. Dans un premier temps, une revue des méthodes de normalisation couramment utilisées dans la littérature est présentée. Dans un deuxième temps, un cadre statistique paramétrique modélisant les indicateurs vibratoires est proposé et repose sur des modélisations cyclostationnaires du signal vibratoire. Ce cadre paramétrique sera utilisé pour construire deux approches de normalisation des indicateurs vibratoires. La première basée sur le clustering-classification permettant de lier les phases de vol de l’hélicoptère à la statistique de l’indicateur vibratoire. Puis, une deuxième basée sur la régression de paramètres de distributions de quantile conditionnées sur les paramètres de vol expliquant la variabilité des indicateurs de santé. En parallèle, une étude de sensibilité permettant d’identifier ses paramètres de vol est menée.

Modélisation hydrologique de l'infiltration des eaux pluviales dans les sols urbains en prenant en compte les chemins préférentiels

Doctorante : Asra ASRY

Laboratoire INSA : DEEP

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

L'infiltration joue un rôle crucial dans le cycle urbain de l'eau en servant comme limite entre le ruissellement et de l'absorption. Cette étude vise à relever le défi de modéliser de manière pratique et fiable l'infiltration pour les Systèmes de Gestion Durable des Eaux Pluviales (SUDS), en mettant l'accent sur une approche facilement ajustable basée sur des principes physiques, cherchant à équilibrer entre complexité et parcimonie.
Cela implique la nécessité de réduire au maximum le nombre de paramètres, l'utilisation de paramètres physiques collectés sur le terrain et l'examen de l'impact des macropores sur les taux d'infiltration à travers les SUDS. Diverses méthodes ont été introduites et évaluées pour répondre à ces questions. Dans un premier temps, cette thèse propose le développement d'un nouveau module appelé INFILTRON-mod, un modèle d'infiltration basé sur des principes physiques et pouvant être calibré facilement, démontrant ainsi son potentiel d’intégration dans des modèles hydrologiques. Un ensemble important de données expérimentales ainsi que des résultats synthétique (Hydrus) sont utilisés pour la validation. Ensuite, la thèse étend le modèle proposé en incorporant un concept de perméabilité duale pour prendre en compte les écoulements préférentiels dans les SUDS. Finalement, cette étude conduit à une analyse de l'incertitude et de la sensibilité des modèles proposés.
Pour conclure, cette thèse a produit des informations cruciales pour l’optimisation de la modélisation des outils de gestion des eaux urbaines en couplant un volet « science du sol » et un volet « modélisation hydrologique des SUDS ». Il est recommandé de poursuivre les recherches pour améliorer et élargir la portée des modèles proposés, contribuant ainsi à une représentation plus précise des phénomènes hydrologiques dans leur complexité au sein des SUDS.
 

Impact des séries chronologiques de pluies futures à horizon 2100 sur les déversements des réseaux d'assainissement.

Doctorant : Frédéric GOGIEN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Les maîtres d’ouvrage des systèmes d’assainissement s’interrogent sur la nécessité de prendre en compte l’évolution du climat dans le développement de leur patrimoine. Or les prévisions climatiques accessibles ne sont pas disponibles avec des résolutions spatiales et temporelles compatibles avec une utilisation en hydrologie urbaine.
Dans un premier temps, l’objectif de cette thèse a été de développer une méthode de construction des séries chronologiques de pluies futures utilisables en hydrologie urbaine à partir des sorties de cinq modèles climatiques. Dans un second temps, afin de quantifier l’impact de ces pluies futures sur le fonctionnement des réseaux d’assainissement, deux modèles ont été élaborés en parallèle : un modèle conceptuel distribué et un réseau de neurones de type NARX. Enfin, les séries chronologiques de pluies futures ont été utilisées en entrée de ces deux modèles pour analyser la conformité des systèmes d’assainissement sur la période 2021-2100. Le site d’étude retenu pour ce travail est le système d’assainissement de Valence-Romans Agglo (Drôme).
La méthode de simulation des pluies futures proposée est fondée sur une descente d’échelle spatiale dérivée de la méthode quantile/quantile, combinée à une désagrégation temporelle par recherche d’analogues. Les résultats de modélisation montrent que les deux modèles produisent des volumes déversés au niveau du déversoir principal du système comparables suite aux étapes de calage et de validation. Les simulations réalisées à l’aide du modèle distribué indiquent une évolution des volumes déversés comprise entre +13% et +52% sur la période 2021-2100. Sur la base des mêmes pluies futures, les résultats du réseau de neurones confirment la tendance, particulièrement pour trois des cinq modèles climatiques considérés. L’analyse des déversements à l’échelle du système d’assainissement de Valence permet de conclure que pour un critère d’évaluation de la conformité basé sur le volume, le système sera jugé non conforme de manière plus fréquente dans l’avenir.

Intravascular manometry by clinical color Doppler

Doctorante : Samaneh CHOUPANI

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : EDA162 MEGA

Assessment of the severity of arterial stenosis is critical for therapeutic decisions. Invasive methods using pressure wires to measure trans-stenotic pressure drops can have severe clinical side effects. Therefore, non-invasive methods using ultrasound imaging are preferable. This study aimed at introducing an ultrasound-based approach to estimate trans-stenotic pressure drops in significant arterial stenoses using clinical vascular color Doppler imaging. The proposed physics-constrained optimization method consists of two successive steps: 1) it recovers a regularized two-dimensional velocity vector field from the color Doppler velocity field, and 2) it derives relative pressures by integrating the fluid-dynamics Navier-Stokes equation using a finite difference method. We validated the innovative approach in silico using computational fluid dynamics and acoustics simulations and in vitro through particle image velocimetry and color Doppler experiments.

Méthodes d'accélérations numériques dédiées à la fissuration en fatigue à grand nombre de cycle par champ de phase

Doctorant : Adrien JACCON

Laboratoire INSA : LaMCos

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

La prédiction de l'initiation et de la propagation de fissure de fatigue dans les structures constitue un enjeu majeur de l'industrie, qui cherche à limiter les approches habituellement conservatives pour diminuer les coûts, optimiser les formes, et garantir l'intégrité des structures sur des durées plus longues. Un nombre important de méthodes numériques peuvent être exploité dans ce contexte, et notamment l'approche champ de phase, qui bénéficie d'une grande flexibilité pour traiter des cas de fissuration complexe, et considérer l'initiation et la propagation de fissure de façon unifiée. Cependant, le coût numérique associé à l'application de ce modèle sur des cas réels est aujourd'hui trop important et limite donc son application à des cas académiques. L'objectif de ce mémoire est de proposer plusieurs approches d'accélération pour diminuer ce coût de calcul prohibitif, tout en maintenant le niveau de précision et de robustesse, dans le but de rendre possible l'application sur des cas réels du modèle champ de phase.
Pour ce faire, un modèle champ de phase étendu en fatigue est implémenté dans le code éléments finis Cast3M. Une approche par dégradation de la ténacité est choisie et validée sur plusieurs cas usuels de la littérature champ de phase. Par ailleurs, une nouvelle méthode de décomposition de l'énergie est également mise en place, permettant d'en améliorer l'efficacité et la robustesse. Nous proposons ensuite plusieurs modifications de cette implémentation initiale qui permet d'accélérer les calculs. D'abord, le calcul de cycle est optimisé à travers l'introduction d'un schéma de résolution étagée adapté au cadre en fatigue. Ensuite, nous introduisons plusieurs schémas de saut de cycle permettant de minimiser le nombre de cycles calculés. Enfin, une approche de raffinement adaptatif de maillage est mise en place, afin de permettre d'optimiser le nombre de degrés de liberté pris en compte pendant la simulation. Ces outils répondent en fait aux différentes raisons pour lesquelles le coût de calcul du modèle champ de phase en fatigue est prohibitif: la résolution d'un problème non-linéaire, sur un nombre très important de cycles, avec un maillage extrêmement fin dans la zone endommagée.
Ce cadre champ de phase accéléré est ensuite exploité sur plusieurs cas académiques usuels pour valider son implémentation, et montrer les gains en temps de calcul possibles. Puis, deux cas de comparaisons numériques-expérimentales utilisant l'approche accélérée sont proposés. Ces essais mettent en évidence les capacités du modèle accéléré tout en soulignant d'autres difficultés liées à l'application du modèle sur des cas réels.

A Quantitative Approach to EHD Friction Prediction Based on Rheometry and Molecular Dynamics Simulations

Doctorant : Ruibin XU

Laboratoire : LaMCos

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

Cette thèse présente une approche quantitative de la prédiction du frottement élastohydrodynamique (EHD), basée sur une combinaison de données expérimentales de rhéométrie et de simulations de dynamique moléculaire (MD). L'approche est appliquée à deux fluides de natures différentes : un lubrifiant, le squalane (SQ), et un fluide de type traction, le benzoate de benzyle (BB). La viscosité newtonienne des fluides est déterminée en utilisant des mesures de viscosimètres à haute pression (HPV) tirées de la littérature, ainsi qu'un nouveau modèle de viscosité newtonienne proposé dans ce travail, basé sur un modèle de mise à l'échelle thermique existant dans la littérature. Par la suite, une loi de contrainte d'Eyring complète, couvrant une large gamme de conditions de température et de pression, est construite à partir de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). La viscosité newtonienne obtenue et la contrainte d'Eyring sont utilisées pour construire des modèles de viscosité généralisée de type Eyring pour les deux fluides. Celles-ci sont implémentées dans un modèle à éléments finis (FE) d'un contact lubrifié dans le régime élastohydrodynamique, en prenant en compte les effets non- Newtoniens et thermiques (TEHLnN) pour la prédiction du frottement. Les résultats sont comparés avec des mesures de frottement effectuées dans un tribomètre sous les mêmes conditions de contact et montrent une bonne concordance. Notamment, le plateau de frottement et le régime d'amincissement thermique observés expérimentalement sont reproduits avec précision par le modèle TEHLnN. Des recherches supplémentaires ont été menées pour étudier l'origine des plateaux de frottement. Les résultats suggèrent que les plateaux de frottement résultent d'une combinaison d'effets non-Newtoniens et thermiques. Les travaux révèlent également que l'effet thermique se produit presque simultanément avec l'effet non newtonien. Ce travail représente une étape cruciale vers une prédiction quantitative du frottement, en rassemblant la rhéométrie expérimentale, les simulations de dynamique moléculaire et la modélisation du contact.

 

 

 

Gazéification en lit fixe co-courant : étude des transitoires

Doctorante : Janett RUIZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

La gazéification de combustibles alternatifs permet la production locale et non- intermittente d’énergie renouvelable et peut devenir une contribution majeure à la transition énergétique et à la promotion de l’économie circulaire et territoriale. Les réacteurs à lit fixe co-courant sont les mieux adaptés aux enjeux territoriaux liés à la valorisation des déchets. Dans ces réacteurs, le taux de conversion est élevé mais la conversion homogène du combustible est difficile à atteindre et représente une barrière à leur utilisation à des performances optimales. Dans ce contexte, le projet ECoGaz (valorisation Énergétique de COmbustibles alternatifs issus de déchets par GAZéification) vise à accroître les connaissances afin de développer l’utilisation de la gazéification pour la conversion de combustibles alternatifs dans ces réacteurs. Ainsi, le principal objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique fiable de gazéification en lit fixe co-courant permettant de représenter avec justesse la conversion de combustibles complexes. Dans le modèle développé dans cette thèse, les phénomènes réactionnels fortement couplés à l’écoulement de la phase gaz et aux phénomènes de transfert thermique dans le milieu poreux sont simulés de manière satisfaisante. Le tassement a été pris en compte. Le caractère 2D du modèle permet d’observer et de comprendre des phénomènes difficiles à mesurer. Ces informations peuvent être précieuses pour comprendre certains dysfonctionnements des réacteurs à lit fixe. De plus, ce modèle pourrait être utilisé comme outil de dimensionnement du réacteur. L’influence de plusieurs paramètres opératoires pourrait être étudiée, tels que le diamètre du réacteur, la composition de l’agent oxydant, le ratio équivalent ou l’emplacement de l’injection. D’autre part, la composition du combustible, et le diamètre des particules sont des paramètres d’entrée du modèle, qui permettent l’étude de différents intrants hétérogènes afin de valider la faisabilité de leur conversion dans un réacteur à lit fixe co-courant.

 

Study of Creep Fatigue Mechanical Characteristics and Constitutive Model of Salt Rock

Doctorant : Zongze LI

Laboratoire INSA : LaMCos

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

To meet the requirements of the United Nations Framework Convention on Climate Change, i.e., the Paris Agreement, countries around the world have developed carbon- peaking and carbon-neutral action programs. The use of renewable energy sources is an effective means of meeting this requirement. Because salt rock has good rheology, low porosity, low permeability and damage self-healing characteristics, compressed air energy storage using salt caverns is an effective way to enhance the efficiency of renewable energy use. Considering the operational requirements for load balancing in compressed air energy storage plants, the surrounding rock of salt cavern reservoirs is subjected to discontinuous cyclic loading with varying gas injection rates and pressures. Through a combination of theoretical analysis, laboratory experiments, and model studies, this research investigated the fatigue-damage mechanical characteristics of salt rocks under different loading rates, the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks with varying high-stress interval times, and the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks under different confining pressures. Additionally, the impact of different stress levels on the creep-fatigue damage evolution of salt rocks was monitored and analyzed using acoustic emission devices. Long-term creep-fatigue tests on salt rocks were conducted based on the actual frequency of load balancing in compressed air energy storage plants. The reasons and patterns of the salt rock's interaction between creep and fatigue under different conditions were analyzed. Based on the consideration of the creep-fatigue interaction in salt rocks, a state variable-based creep-fatigue constitutive model for salt rocks was proposed and established, and its validity was verified. The research findings provide important guidance for ensuring the stability of salt cavern reservoirs.

Sustainability of industrial heat decarbonisation strategies through 4E (energy, exergy, economic and environmental) optimisation

Doctorant : Yoann JOVET

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Ces travaux ont pour but d’évaluer la performance annuelle globale de différentes solutions de production de chaleur industrielle, par une méthode multicritère 4E (énergie, exergie, économie et environnement). Au-delà de cette évaluation, le travail proposé porte également sur le développement d’une méthode originale permettant de prendre en compte les limites planétaires dans la prise de décision visant à remplacer un moyen de production (généralement chaudières à gaz) par une solution moins carbonée.
L’atteinte de cet objectif a conduit au développement d’un modèle d’optimisation génétique multi- objectif original combinant critères technico-économiques et environnementaux, basés sur une approche par Analyse de Cycle de Vie (ACV). Afin d’être en mesure d’évaluer les transformations à l’échelle d’un secteur industriel, différents pays européens sont considérés sur trois périodes comprises entre 2015 et 2090 pour intégrer les évolutions de contraintes sur les émissions de GES et la disponibilité de technologies de capture et stockage de carbone (CCS). Une approche par regroupement (clustering) est proposée pour réduire l’étude à 100 pas de temps représentatifs de l’année afin de limiter le temps de calcul.
Une étude de sensibilité a été menée pour classer l’ensemble des solutions non-dominées trouvées par l’algorithme, aucune de ces solutions n’étant soutenable sur l’ensemble des critères environnementaux. Pour ce faire, trois approches d’évaluation sont proposées : R1 (Référence ACV de pondérations), R2 (pénalisation linéaire du dépassement des limites planétaires), et R3 (pénalisation exponentielle de ces limites et pénalisation du CCS).
Pour le classement R1, la technologie la plus performante est la pompe à chaleur, complétée par la chaudière biomasse quand le CCS devient suffisamment développé. Pour les méthodes R2 et R3, on observe des combinaisons de technologies qui dépendent du mix électrique : combinaison pompe à chaleur et chaudière gaz pour les mix majoritairement renouvelables ou chaudière biomasse pour les mix basés sur le nucléaire.