Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Systèmes Mécaniques Adaptatifs (SMA)du laboratoire mécatronique M3M de l'UTBM impliqué dans l'institut FCLAB de recherche sur les systèmes pile à combustible et du projet de l'équipe de recherche "Modélisation Multiphysique ", en cours de constitution, du département Sciences et Technologies de l'USEK. Les PEMFC font l'objet de nombreuses recherches pour augmenter leurs performances et diminuer leur coût mais la plupart des études se concentrent sur leurs aspects physicochimiques.Cette thèse par contre se propose de mettre en évidence l'influence, sur la production d'énergie, des sollicitations mécaniques statiques, dynamiques voire thermiques (serrages, vibrations, frottements, ...) comme phénomènes couplés relevant du domaine multiphysique (interactions fluide-structure, électrique ...). En premier, une analyse des différents paramètres de modèles dépendant des aspects mécaniques a été effectuée et les principaux paramètres à étudier dans le cadre de cette thèse ont été sélectionnés : porosité, perméabilité et coefficients de diffusion de la GDL, conductivité électrique du contact GDL/PB et volume des canaux après compression de la cellule. Ensuite, un modèle partiel de représentation mécanique de la GDL d'une PEMFC du côté cathode a été mis en oeuvre afin de déterminer la déformation de la GDL comprimée par une force répartie sur la PB. Sur la base des contraintes mécaniques calculées dans la GDL, les champs locaux de porosité, de perméabilité et de résistance électrique de contact GDL/PB sont obtenus. D'autre part, une modélisation 3D de type volumes finis pour l'étude de la pression du fluide à l'interface GDL/PB a été élaborée. L'analyse a permis de déterminer le champ local de pression d'oxygène sur l'interface GDL/PB du côté cathode. Les champs locaux de porosité et de perméabilité de la GDL, de résistance électrique de contact GDL/PB et de pression d'interface GDL/PB sont alors introduits dans le modèle multiphysique 2D d'une cellule de pile PEMFC. Une étude détaillée du comportement de la pile et de la modification de sa performance a pu être réalisée. Les résultats ont été présentés sous forme de courbes de polarisation et de densité de puissance. Finalement tous les résultats ont été rassemblés pour une analyse d'influence et de sensibilité afin d'identifier les paramètres qui auront le plus d'influence sur les variables simulées. Cette étude peut s'avérer un outil fort utile à la prise de décision concernant la géométrie de la dent des PB, la nature des PB, ...

Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1983. N°: 767.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1977. N°: 1.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 583.

Les études existantes s'intéressant au dimensionnement des structures paravalanches s'appuient généralement sur des signaux de force lissés dans le temps. Cependant, le caractère hétérogène de la neige en écoulement est responsable de fortes fluctuations systématiquement observées. Cette thèse a pour objectif de caractériser les fluctuations de force exercées sur un obstacle surversé par un écoulement granulaire. Des modélisations numériques par la méthode des éléments discrets sont mises en œuvre pour simuler l'interaction entre la neige, représentée par un ensemble plan de particules sphériques, et un mur immobile et indéformable. Une particularité de ce travail réside dans l'étude d'une gamme très large de régimes d'écoulement, de quasistatique à collisionnel. Deux systèmes modèles sont développés dans le but de focaliser la zone d’étude en amont de l’obstacle, et de permettre le contrôle des variables macroscopiques de l’écoulement (vitesse de cisaillement, pression de confinement, tailles des systèmes). Le premier confine les grains entre quatre parois dont l’une impose un cisaillement à vitesse constante, alors que les signaux de force sont mesurés sur la paroi faisant face au cisaillement. Le second système confine les grains entre deux parois (dont une cisaillante) et une condition aux limites périodique dans la direction du cisaillement, alors que le mur est immergé dans les grains. Chaque système est étudié via une analyse moyenne puis les fluctuations sont caractérisées à partir des signaux de force instantanés.Le nombre inertiel macroscopique construit sur la vitesse de cisaillement et la pression de confinement imposées au système s'avère être une variable de contrôle à la fois de la dynamique moyenne et des fluctuations dans les deux systèmes. Une loi empirique a été établie pour chacun des systèmes pour prédire la transmission de force moyenne sur l'obstacle en fonction du nombre inertiel macroscopique, et la mesure de grandeurs locales a révélé que la loi rhéologique µ(I) des milieux granulaires en écoulement est respectée quasiment partout. Les autocorrélations des signaux de force sur le mur à l'échelle mésoscopique ont révélé l'existence d'un effet mémoire des systèmes aux faibles nombres inertiels, disparaissant avec la transition vers le régime dense inertiel. Les distributions de forces à trois échelles spatiales différentes sont également contrôlées par le nombre inertiel macroscopique : aux régimes lents les distributions sont resserrées et approchent une forme Gaussienne, aux régimes rapides les distributions sont exponentielles. Des lois de probabilité log-normales tronquées à trois paramètres ont été établies afin de prédire de façon empirique les distributions de force sur l'obstacle.Ce travail contribue à approfondir les connaissances sur la composante moyenne et les fluctuations de force subies par un obstacle soumis à un écoulement granulaire. Les résultats obtenus permettent d'envisager la modélisation de systèmes gravitaires s'approchant des conditions réelles d'écoulements, permettant ainsi la comparaison avec des expérimentations de laboratoire dans le but de mieux dimensionner les structures de génie-civil. / The existing studies dealing with the design of civil-engineering structures against snow avalanches are generally based on force times series that are smoothed over time. However the strong heterogeneity of snow leads to systematic observations of a high level of force fluctuations. This PhD thesis aims at characterizing the force fluctuations exerted on an obstacle that is overflowed by a granular flow. Numerical simulations based on the discrete elements method are implemented to model the interaction between the snow, represented by an assembly of spherical particles, and a rigid motionless wall-like obstacle. A key feature of this work is the broad range of flow regimes investigated, from quasistatic to collisionnal. Two model systems are studied in order to focus on a zone restricted to the upstream of the obstacle, and to allow a full control of the macroscopic flow variables (shearing velocity, confinement pressure, system sizes). The first one confines the grains between four walls from which the top one imposes a constant shearing velocity while the force signals are measured on the wall facing the corresponding displacement. The second system confines the grains between a static bottom wall, a shearing top wall, and a periodic boundary condition in the shear direction, while the wall-like obstacle is fully immersed in the grains. Each system is studied through a time-averaged analysis then the fluctuations are characterized from the instantaneous force time series.The macroscopic inertial number built from the shear velocity and the confinement pressure imposed to the system turns out to be the main control variable of both the mean dynamics and the fluctuations in the systems. An empirical law has been established to predict the mean force transmission on the obstacle as a function of the macroscopic inertial number for each of the two systems, and the measurement of local strain and stress tensors revealed that the granular flow µ(I)-rheological law is respected nearly everywhere in the samples. The autocorrelations of force signals on the obstacle at the mesoscopic scale revealed the presence of a memory effect of both systems at low inertial numbers which vanishes with the transition from the quasistatic to the dense inertial flow regimes. The force distributions at three different spatial scales are also controlled by the macroscopic inertial number: for slow regimes the distributions are tightened and resemble Gaussian shapes, for fast regimes the distributions are rather exponential. Truncated log-normal probability density functions (with three parameters) have been established in order to predict empirically the force distributions on the obstacle.This work contributes to advance the knowledge on both the time-averaged and the fluctuating components of the force exerted on a wall subjected to a granular flow. The results enable to look forward with the modeling of gravity-driven systems approaching real flow conditions, thus allowing a comparison with laboratory experiments and full-scale measurements, with the aim of better designing of civil engineering structures impacted by avalanches.

La connaissance de la viscosité est un défi majeur dans les technologies de pointe (biomédical, pétrochimie, imprimerie, cosmétique, agroalimentaire, etc). Cette étude présente un capteur de viscosité qui exploite la vibration transversale forcée d’une poutre mince. L’amortissement induit par le fluide permet d’évaluer sa viscosité et sa masse volumique par la seule connaissance des caractéristiques à la résonance de la poutre (amplitude et fréquence). Cette mesure est réalisée par un circuit électromagnétique. Dans ce travail, la simulation numérique et l’étude expérimentale du viscosimètre sont réalisées en vue de mieux cerner les paramètres influençant le fonctionnement du capteur. Les différentes investigations menées dans ce travail sont d’une grande importance pour l’optimisation du viscosimètre d’une part. D’autre part, c’est une contribution à l’ensemble des études qui traitent de l’aspect du couplage fluide-structure-électromagnétisme. / Knowing the viscosity becomes increasingly a major challenge in leading-edge technologies (biomedical, petrochemical, printing, cosmetic, food industry, etc). This study presents a viscosity sensor based on a thin beam immersed in a newtonian fluid and subjected to transverse vibrations due to an electromechanical excitation system. The damped vibration can be used to evaluate the fluid viscosity and density by measuring the beam’s resonance characteristics (amplitude, frequency). This measurement is done by an electromagnetic feedback circuit. In this work, numerical model and experimental studies of the vibrating viscometer are conducted to better understand the influencing factors of the sensor’s operation. The different investigations carried out in this work are of great importance for the viscometer optimization on one hand. On the other hand, it’s a contribution to all studies dealing with the aspect of fluid-structure-electromagnetism coupling.

La source d'ions des injecteurs de neutres d'ITER devra produire un fort courant d'ions négatifs de deutérium qui seront accélérés puis neutralisés afin d'obtenir un faisceau d'atomes qui chauffera le plasma thermonucléaire. Un plasma froid d'hydrogène à basse pression et forte puissance est généré par induction dans la source et les ions négatifs sont produits par des réactions en volume et en surface et extraits à travers une série de grilles électrostatiques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de ce plasma, afin d'étudier des phénomènes peu abordés à ce jour : aspect hors équilibre des espèces neutres, déplétion et chauffage du gaz, génération et transport des atomes, et génération des ions négatifs sur les parois. Un code fluide bidimensionnel de simulation plasma a pour cela été modifié afin de simuler la cinétique des espèces neutres au moyen d'un module Direct Simulation Monte-Carlo et a été utilisé pour simuler le plasma de manière auto-cohérente. / The ion source of the ITER neutral beam injectors will have to deliver a high current of negative deuterium ions which will be accelerated and neutralized, and the resulting atom beam will heat the thermonuclear plasma. A low pressure and high power cold hydrogen plasma is inductively generated in the source and negative ions are produced by volume and surface reactions and are extracted through a set of electrostatic grids. This thesis aims at modelling this plasma, and focuses on topics that haven't been studied much before : out of equilibrium neutral kinetics, gas heating and depletion, atoms production and transport, and negative ions generation on the walls. To this end, a two-dimensional fluid plasma code has been modified to simulate the neutrals kinetics with a Direct Simulation Monte Carlo module and has been used to perform self-consistent simulations of the plasma.

Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées. / Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures.

Cette thèse aborde la résolution des problèmes d'interaction fluide-structure par un algorithme consistant en un couplage entre deux solveurs : un pour le fluide et un pour la structure. Pour assurer la cohérence entre les maillages fluide et structure, on considère également une discrétisation de chaque domaine par volumes finis. En raison des difficultés de décomposition du domaine en sous-domaines, nous considérons pour chaque environnement un algorithme parallèle de multi-splitting (ou multi-décomposition) qui correspond à une présentation unifiée des méthodes de sous-domaines avec ou sans recouvrement. Cette méthode combine plusieurs applications de points fixes contractantes et nous montrons que, sous des hypothèses appropriées, chaque application de points fixes est contractante dans des espaces de dimensions finies normés par des normes hilbertiennes et non-hilbertiennes. De plus, nous montrons qu'une telle étude est valable pour les résolutions parallèles synchrones et plus généralement asynchrones de grands systèmes linéaires apparaissant lors de la discrétisation des problèmes d'interaction fluide-structure et peut être étendue au cas où le déplacement de la structure est soumis à des contraintes. Par ailleurs, nous pouvons également considérer l’analyse de la convergence de ces méthodes de multi-splitting parallèles asynchrones par des techniques d’ordre partiel, lié au principe du maximum discret, aussi bien dans le cadre linéaire que dans celui obtenu lorsque les déplacements de la structure sont soumis à des contraintes. Nous réalisons des simulations parallèles pour divers cas test fluide-structure sur différents clusters, en considérant des communications bloquantes et non bloquantes. Dans ce dernier cas nous avons eu à résoudre une difficulté d'implémentation dans la mesure où une erreur irrécupérable survenait lors de l'exécution ; cette difficulté a été levée par introduction d’une méthode assurant la terminaison de toutes les communications non bloquantes avant la mise à jour du maillage. Les performances des simulations parallèles sont présentées et analysées. Enfin, nous appliquons la méthodologie présentée précédemment à divers contextes d'interaction fluide-structure de type industriel sur des maillages non structurés, ce qui constitue une difficulté supplémentaire.

Lors du traitement en poche de l’acier liquide, les inclusions sont transportées vers l’interface métal liquide/laitier où elles sont capturées. Près de l’interface, le mouvement des inclusions est ralenti sous l’effet des interactions hydrodynamiques avec celle-ci. Afin d’étudier ces interactions, deux maquettes froides ont été mises en œuvre, où les inclusions sont modélisées par des billes millimétriques de densité intermédiaire entre celles de deux liquides transparents. Ces dispositifs nous ont permis de mesurer les variations du coefficient de frottement fen fonction de d/R (d est la distance du centre de la bille à l’interface non déformée et R est le rayon de la bille) pour différentes valeurs du nombre de Bond particulaire Bop, du rapport de différences de densités β et du rapport de viscosités λ. Lorsque d⁄(R>2), les points expérimentaux sont en accord avec le modèle de Bart pour une interface indéformable. fdépend fortement de λ et faiblement de  et Bop.Lorsque d⁄(R≤2), on distingue deux modes de relaxation vers l’équilibre. Lorsque 〖Bo〗_p≪1, la déformation reste faible et le régime de Bart est suivi par le régime de Taylor où (f~R)⁄h (h est l’épaisseur du film de liquide séparant la particule de l’interface). Lorsque 〖Bo〗_p≳1, l’interface se déforme significativement pour atteindre localement la courbure de la bille et le drainage du film s’effectue en régime de Reynolds où f~(R⁄h)^3. Les variations de 1/f en fonction de l’écart à l’équilibre présentent une inflexion que nous attribuons à la transition vers le régime de Reynolds et qui apparaît d’autant plus tôt lors de la relaxation vers l’équilibre que λ est élevé. Dans le régime de transition, fne dépend que de l’écart à la position d’équilibre et de λ. En régime de Reynolds, fest une fonction croissante de λ, 〖Bo〗_p et β, en accord avec le modèle de drainage de Hartland. / In liquid steel ladle treatment, inclusions are transported towards the steel-slag interface before being captured. Near the interface, the inclusions rise up under the effect of gravity but their movement is delayed by the hydrodynamic interaction with the interface. An experimental study has been carried out, using two physical models. In both devices, the variations of the particle velocity are measured as a function of the distance d from the particle center to the non-deformed interface. Then, the friction coefficient f (i.e. the correction to the Stokes steady drag) is deduced. The dependence of f on the density difference ratio β, the particle Bond number 〖Bo〗_p and the viscosity ratio λ is examined. When d⁄R≳2, the experimental results agree well with Bart’s curves established for a non-deformable interface. f essentially depends on the viscosity ratio and weakly depends on β and 〖Bo〗_p. When d⁄R≲2, depending on the value of 〖Bo〗_p, two relaxation modes can be distinguished. When 〖Bo〗_p≪1, the deformation of the interface is weak and the Bart regime is followed by the Taylor regime. This regime is characterized by f~(R⁄h) where h is the film thickness separating the particle from the interface. When 〖Bo〗_p≳1, the interface is significantly deformed and its curvature tends locally to the particle curvature and the film drains in the Reynolds regime characterized by f~(R⁄h)^3. The variations of the experimental friction coefficient as a function of the deviation from the equilibrium position have an inflection point: it is attributed to the transition to the Reynolds regime. This transition appears earlier when the λ is higher. In the transition regime, fonly depends on the equilibrium deviation and on the viscosity ratio. In the Reynolds regime, the friction coefficient is an increasing function of λ, β and 〖Bo〗_p as predicted by Hartland drainage model.