Cette thèse vise à analyser expérimentalement une structure flexible et légère dans différents régimes d’écoulement, dont le régime cavitant. Un protocole expérimental a donc été mis en place afin de caractériser le comportement hydroélastique d’un profil NACA 0015 en polyoxyméthylène (POM) et de le comparer à un profil en acier inoxydable considéré comme « rigide ». Des mesures en écoulement subcavitant ont été réalisées : chargement hydrodynamique, contraintes, déformées statiques, réponse vibratoire et champ de vitesse ont été mesurés pour les deux matériaux. Enfin, une analyse vibratoire a été menée en écoulement cavitant. Ces mesures nous ont permis de constater que les déformées statiques du profil flexible sont similaires aux déformations observées sur une poutre encastrée : la flexion est la déformation principale et la torsion est faible. Toutefois les performances du profil flexible sont moins bonnes que pour un profil rigide : la portance diminue tandis que la traînée augmente. D’autre part, il apparaît que la dynamique du profil est contrôlée par l’écoulement. En effet, lorsque l’incidence du profil est proche de l’angle de décrochage, une fréquence liée au détachement tourbillonnaire apparaît sur les spectres de vibration des profils. Elle conduit à une réduction des fréquences propres liées à la flexion : si l’influence de cette fréquence sur le profil rigide reste faible à basse vitesse, sa proximité avec la fréquence propre du profil flexible conduit à un lock-in. Celui-ci se produit également en écoulement cavitant : lorsque la poche de cavitation devient instable, sa fréquence d’oscillation devient très énergétique et prend le contrôle de la dynamique du profil flexible. Le lock-in prend fin quand une supercavitation se développe autour du profil. Il conduit à une augmentation de la masse ajoutée au profil alors qu’elle devrait diminuer en présence de vapeur d’eau. / This work deals with an experimental analysis of a flexible and light lifting profile for various flow conditions, including cavitation. An experimental protocol was set up to study a flexible NACA 0015 made of polyoxymethylene (POM) and compare its behaviour with a foil made of steel, which is considered as rigid. The forces, strains, stresses and vibrations of the foils were measured, as well as the velocity field. Moreover, a vibratory analysis was performed in cavitating flow. The flexible foil behaves like a built-in beam : the deformations corresponds to predictions from the beam theory, with high bending and low twisting. These deformations imply lower lift and higher drag compared to the rigid foil. The vortex shedding frequency appears on the vibration spectra near stall. It increases with flow velocity and leads to a decrease of the natural bending frequency. But flexibility involves lower natural frequencies : the first bending frequency of the flexible foil is 3.5 times lower than the rigid one. This allows lock-in between the first bending frequency of the flexible foil and the vortex shedding frequency. Lock-in occurs in cavitating flows too : when cavitation becomes unstable, it oscillates with a frequency close to the bending natural frequency of the flexible foil. This lock-in ends when the cavitation number is low enough, what leads to a decrease of the cavitation oscillation frequency. In those conditions, the added mass of the flexible foil does not decrease with the cavitation number as the added mass of the rigid foil.

The training of movement procedures to increase the skills of athletes is a fundamental part of competitive sports. A realistic training, supported by technical equipment provides athletes a better success of training and is requested by trainers and training centers all over the world. Especially in winter sports, like luge or bob, a realistic training simulation is not always possible and demands adaptations of specific training procedures. As a part of this article, a new multilayer slide-foil will be presented, which allows athletes an even more realistic training. For this purpose the structure and production process of the foil composite will be shown, as well as results of the tribological behaviour of the foil. / Das Training von Bewegungsabläufen, zur Steigerung von Fähigkeiten, ist ein fundamentaler Bestandteil im Leistungssport. Ein realistisches Training, unterstützt durch technische Systeme, ermöglicht es Athleten optimale Trainingserfolge zu erzielen und wird dementsprechend von Trainern und Leistungszentren überall auf der Welt gewünscht. Insbesondere in Wintersportarten, wie z. B. Rennrodeln oder Bobfahren, kann dies allerdings nur bedingt realisiert werden und erfordert oftmals Abstriche bei der Trainingsgestaltung. Im Rahmen dieses Beitrags wird daher eine mehrschichtige Verbundfolie vorgestellt, welche den Athleten ein realistischeres Training ermöglichen soll. Hierzu werden zum einen der Aufbau und die Herstellung des Folienverbundes erläutert sowie tribologische Untersuchungsergebnisse präsentiert.

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The radioactive ion implantation wear measuring method (RII) has been used for many years as a tool to make highly sensitive real-time in-situ measurements of wear and corrosion in metallic or ceramic materials. The method consists of the controlled implantation of radioactive ions of limited decay time in a thin layer at the surface of the material. The progressive abrasion of the material results in a decline in radioactivity which is followed to monitor material losses. The application of RII to control the wear of polymers is potentially of interest, but it has been lagging behind because of uncertainties related to possible changes in material properties during and after the implantation, and to the exact shape of implantation profiles. In this thesis, we investigate these issues on two thermoplastic elastomers typically used for making the soles of sport shoes, among which one contains radiation-sensitive unsaturated bonds, using as ions 7Be, 7Li and Kr. The results of the sample characterisation indicate that the 7Be and 7Li implantations, under properly-selected conditions, do not induce significant modifications in the materials. The implantation of a stack of polymer thin films and the activity measurements performed to determine the implantation profile are also presented. The experimental results on the ion implantation profiles and the determination of calibration curves are presented and discussed in comparison with simulated results. The results indicate that it is possible to predict the implantation profile by means of simulations. This bodes well for the application of the RII method to polymer materials. In the last part, an experimental study is presented regarding the possible redistribution of the implanted 7Be after implantation. Since very few existing experimental techniques are able to detect light elements implanted in polymer targets at fluences less or equal to 1012 cm-2, with implantation depths of a few µm, a new method is presented, which implies the use of plasma etching techniques in order to remove layers of polymers and measuring the remaining activity after each step. Our results indicate that a redistribution of the implanted ions takes place during the implantation process, resulting in a scrambling of the initial implantation profile. Nevertheless, provided a suitable methodology be used, wear measurements in polymers by using the RII method are still possible, as we propose in the thesis.

Le CO2 est un produit des nombreuses voies métaboliques intervenant lors de l’affinage des fromages. Ce composé gazeux se dissous et diffuse dans les différents constituants du fromage (notamment phase grasse et phase aqueuse) et affecte la qualité finale du produit. La production et le gradient de CO2 sont considérés comme la force motrice de la croissance des « trous » ou « yeux » dans les fromages à pâte pressée non cuite sujet à fermentation propionique. Dans ce cas là, la perte de CO2 du fromage vers l'atmosphère pendant la phase de maturation est limitée par le conditionnement du produit dans un emballage barrière aux gaz. Malgré l’extrême importance de cette molécule lors de l'affinage de ce type de fromages, son taux de production, sa solubilité et sa diffusivité dans la pâte fromagère ont été très peu étudiés et abordés par la communauté scientifique travaillant dans le domaine. L'objectif de ce travail de thèse est donc de caractériser la solubilité, la diffusivité et le taux de production du CO2 dans des fromages modèles à pâte pressée non cuite. L’effet de la composition chimique du produit (teneur en sel, en eau, etc.) et de différentes variables de maturation (la température et le temps d’affinage) a été systématiquement évalué pour ces trois grandeurs. La perméabilité de l’emballage utilisé pour l’affinage a également été mesurée dans des conditions « industrielles » (emballage entier, incluant l’effet du scellage et de la rétraction à chaud, gradient d’humidité et de gaz correspondants à ceux rencontrés lors de l’usage, etc.). Toutes les variables de composition et de maturation de fromage étudiés ont montré un impact significatif mais d’amplitude variable sur la production de CO2 et les coefficients de transfert (diffusivité et solubilité). Par exemple la solubilité du CO2 dans le fromage diminue linéairement avec la température, tandis que la production de CO2 augmente exponentiellement et que la diffusion du CO2 suit une fonction quadratique. Les coefficients évalués ont été utilisés comme paramètres d'entrée d'un modèle mathématique développé dans le cadre de ce travail dans le but de décrire l’évolution des gradients de CO2 en fonction du temps au sein du fromage (fromage aveugle, i.e. sans « trous » mais avec fermentation propionique). Une analyse préalable effectuée sur les paramètres d'entrée du modèle a mis en évidence la très grande importance de la production du CO2 sur les gradients de CO2 formés dans le fromage par rapport aux autres paramètres de transfert. Nous avons développé le premier modèle couplant transfert de CO2 par perméation, transport et production de CO2 dans un produit dense, solide. Ce modèle a été validé expérimentalement sans ajustement d’aucun paramètre sur un fromage aveugle dans différentes conditions. Le modèle s’est révélé très robuste et prédictif des phénomènes de production et de diffusion de CO2 à l'intérieur de la pâte de fromage, ainsi que de la perméation à travers l’emballage. Ce modèle est une première étape vers plus de connaissances des mécanismes mis en jeu lors de l’affinage d’un fromage à pâte pressée non cuite et constitue un premier outil pour une meilleure prise de décision par les industriels dans le domaine de l’affinage fromager. / CO2 is an end product of numerous metabolic pathways of the cheese microflora taking place during ripening. This gaseous compound can affect the final quality of most cheeses, depending on its ability to diffuse and dissolve in both their water and fat phase. For example, CO2 is considered as the driving force for eye growth in cheeses with propionic acid fermentation. In such type of product, the loss of CO2 from the paste to the atmosphere during ripening may be limited by wrapping the cheese in a barrier packaging (foil ripening) to favour eyes growth. Despite the great importance of this molecule during cheese ripening, its production rate, solubility and diffusivity have scarcely been investigated in literature. The objective of this PhD work was to experimentally assess CO2 solubility, diffusivity and production rate in model semi-hard cheeses in relation to the main composition and ripening variables: salt and moisture content, temperature and cheese age, amongst others. The permeability of an industrial ripening foil was also assessed at different temperatures and in conditions of industrial relevance. All studied composition and ripening variables were found to significantly affect the CO2 production and transfer coefficients, but in a different way. For example increasing temperature was found to linearly decrease CO2 solubility in the cheese, while the CO2 production exponentially increased and CO2 diffusion was described with a quadratic function. The assessed coefficients were used as input parameters of a mathematical model with the goal of describing the CO2 gradients occurring in a blind semi-hard cheese during industrial ripening. A simplified sensitivity analysis performed on the model input parameters highlighted the greater importance of CO2 production on the CO2 gradients formed in the cheese compared to the other transfer coefficients. We developed the first experimentally validated model with the attempt of predicting the phenomena of CO2 production and diffusion inside the cheese paste, CO2 transfer at the rind interface and its permeation via an industrial packaging during ripening.

Les paliers à feuilles sont des organes de guidage en rotation adaptés pour des rotors légers fonctionnant à des grandes vitesses de rotation. Leur fonctionnement ne nécessite aucun apport d’huile ni de graisse. Ces paliers sont réalisés avec une structure compliante. La présence de frottements dans la structure apporte l’amortissement nécessaire au système rotor-palier.Après une présentation de la technologie, un tour d’horizon des modèles existants et des limitations de chacun d’eux est exposé. Par la suite, un modèle non-linéaire du coussinet compliant est introduit. Dans ce modèle les feuilles sont considérées comme des solides élastiques. Les forces de frottement et les jeux entre les feuilles sont pris en compte par l’utilisation de la condition de non-interférence de Moreau-Signorini. Les efforts normaux et les forces de frottement sont calculés respectivement par la méthode des multiplicateurs de Lagrange augmentés et la méthode des pénalités. Ensuite, cette structure compliante est couplée au film fluide, traité par la résolution de l’équation de Reynolds en conditions de lubrification mixte.L’intérêt est ensuite accordé au palier dans sa globalité : structure déformable, film fluide, rotor. En régime statique, cette étude passe par l’analyse des démarrages du rotor puis de son fonctionnement à des hautes vitesses de rotation et sous de très fortes charges statiques. L’effet des erreurs d’usinage est mis en évidence. En régime dynamique, l’étude se fait par l’analyse non-linéaire d’un rotor de Jeffcott supporté par des paliers à feuilles. Les résultats montrent les limites de stabilité du système rotor-paliers et l’influence du balourd. / The foil bearings are used for guiding and supporting small rotors with high rotational speeds. Their operating functioning does not require any oil or grease. These bearings have a compliant structure. The presence of friction in the compliant structure brings damping, which is necessary for the rotor-bearing system operating at high speeds.After a presentation of the technology, an overview of the existing models and the limitations of each of them is exposed. Subsequently, a nonlinear model of the compliant structure is introduced. In this model, foils are considered as elastic solids. The friction forces and the gaps between the foils are taken into account by using the Moreau-Signorini non-interference condition. Normal forces and friction forces are calculated by using the augmented Lagrange multiplier method and the penalty method. Then, the compliant structure is coupled to the fluid film, dealt with the Reynolds equation for mixed lubrication conditions.The study is then focused on the bearing as a whole : compliant structure, fluid film, rotor. The start-up torque, the lift-off speed as well as operating conditions at high speeds and important static loads are part of the steady regime analyses. The effect of machining errors is highlighted. For the dynamic regime, the study consists of the non-linear analysis of a Jeffcott rotor supported by foil bearings. The results show the stability limits of the rotor-bearing system and the influence of unbalance.

In nature, many swimming and flying creatures use the principle of oscillatory lift-based propulsion. Often the flapping element is flexible, totally or partially. The flow dynamics because of a flexible flap is thus of considerable interest. We are interested especially in lunate fish propulsion. The present work investigates the effect of trailing edge flexibility on the flow field created by an oscillating airfoil in an attempt to mimic the flow around the flexible tails often found in fish. A flexible flap with negligible mass and stiffness is attached at the trailing edge of NACA0015 airfoil. The flap length is 75% of the rigid chord length. The airfoil oscillates about a hinge point at 30% chord from the leading edge and at the same time it moves in a circular path in stationary water. The parameters varied are frequency, amplitude of oscillation and forward speed. For a given combination of amplitude and frequency of oscillation, the forward speed is chosen such that the Strouhal number comes around 0.3, which falls in the gamut of Strouhal numbers for maximum propulsive efficiency. We visualize the flow with dye and particles and measure velocities using Particle Image Velocimetry (PIV). We use shadow technique and image processing to study the flap dynamics. We do a qualitative and quantitative comparison of the wake flow generated by two airfoil models, one with rigid trailing edge (model -B) and the other with flexible trailing edge (model -A) i.e. with a flexible flap fixed to the trailing edge. We study the flap dynamics, the flow around the flap, evolution of vortices, wake width, circulations around airfoil and vortices, momentum and energy in the wake (which is measure of propulsion efficiency), vortex geometry in the wake in terms of vortex spacing, etc. We also conduct a parametric study for both the models. Flap dynamics plays a prominent role in defining the signature of the wake. The observed flap deflections are quite large and the flap exhibits more than one mode of deflection; this affects the vortex-shedding pattern. The flap tip also executes a near sinusoidal motion with a phase difference between the trailing edge and the flap tip. The dye visualization studies show that a flexible trailing edge induces multiple vortices while in case of a rigid trailing edge, large vortical structures are shed. In case of flexible trailing edge (model -A), the vortices are shed away from the mean path of motion and are arranged in a ‘reverse Karman vortex street’ pattern producing an undulating jet representing a thrust on the airfoil. For the same Strouhal number, in case of rigid trailing edge (model -B), the vortices are shed nearly along the mean path of motion indicating a momentumless wake. The wake structures, particularly in case of model -A, are nearly insensitive to variations in amplitude and frequency. The wake of model -B shows some variable flow patterns for different amplitudes of oscillation. Although the total chord of model -A is 1.75 times more than the chord of model -B, the wake width is nearly the same for the two models when the amplitude of oscillation is same. The addition of the flap to the airfoil keeps the wake flow two-dimensional or symmetric about the center plane for longer times and longer downstream distances in comparison with the wake flow generated by rigid trailing edge. For 15o and 20o amplitudes of oscillations, the flow separates over the airfoil itself; the interaction of the separated flow with the flexible flap is quite interesting, which needs further investigations. The wake generated by the airfoil with flexible flap at the trailing edge has some common features with the wakes generated by the flow over a flapping filament (which is the one-dimensional representation of a fluttering flag), an accelerating mullet fish (a carangiform swimmer) and a steadily swimming eel (an anguilliform swimmer).