La conversion thermochimique de la biomasse en lit fluidisé circulant permet la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes couplés, hydrodynamiques et réactifs, se déroulant en lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un pilote de pyrogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant a été conçu. L’étude hydrodynamique de ce pilote a ensuite été réalisée entre 20 et 950 °C. Les résultats ont permis d’établir des règles de design et de fonctionnement de réacteurs de gazéification en lit fluidisé circulant. Dans un second temps, une étude de la pyrogazéification de la biomasse a été réalisée en lit fluidisé dense ainsi qu’en lit fluidisé circulant, entre 750 et 850 °C. L’étude de l’influence de nombreux paramètres opératoires (températures, pression partielle de la vapeur d’eau, débit de biomasse, débit de circulation, inventaire et nature du média, forme de la biomasse) sur les performances de la gazéification a permis d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le volume de gaz de synthèse produit. Par ailleurs, à partir des résultats expérimentaux, un schéma réactionnel est proposé pour la pyrolyse de la biomasse étudiée. Enfin, un outil de modélisation du réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé dense et circulant, intégrant les réactions de pyrolyse, de gazéification, de water-gas shift et de reformage des goudrons a été développé et validé sur les résultats expérimentaux. / The biomass thermochemical conversion in fast internally circulating fluidized bed (FICFB) allows producing a high-added value syngas that can be used in many end-use applications. This work aims to better understand and model the coupled phenomena, hydrodynamic and reactive, occurring in FICFB processes. In a first time, a 20 kg/h FICFB biomass pyrogasification pilot was designed and erected. Then, the hydrodynamic study of this pilot was carried out between 20 and 950 °C. Results led to propose some design and operation rules for FICFB gasifiers. In a second time, biomass pyrogasification was studied in a dense fluidized bed (DFB) as in a FICFB, between 750 and 850 °C. From the survey of the effect of numerous operating parameters (temperatures, steam partial pressure, biomass feeding rate, circulation flow rate, bed material inventory and nature, biomass shape) on the gasification performances, the key parameters for the control of produced syngas volume and composition were identified. Finally, a modelling tool of DFB and FICFB biomass gasifiers, integrating pyrolysis, gasification, water-gas shift and tars reforming reactions was developed and validated on the experimental results.

Les microalgues sont de plus en plus regardées pour leurs potentiels énergétiques et leurs nombreuses applications. Mais les systèmes de production actuels, que se soit les systèmes dits ouvert comme les bassins ou les systèmes fermés, appelés photobioréacteurs, sont très énergivores et pas assez productifs. Cette thèse propose un nouveau concept de photobioréacteur, composé d'un airlift et d'une plaque mince. Le photobioréacteur est caractérisé expérimentalement et est modélisé sous plusieurs aspects. L'hydrodynamique du système est modélisée pour prédire le comportement des fluides dans le système. Les phénomènes de transferts de masse sont modélisés par le modèle des deux films. La modélisation permet de connaitre l'apport minimum nécessaire en dioxyde de carbone pour la culture des microalgues et permet d'évaluer la concentration en oxygène dissous dans le photobioréacteur. Elle permet aussi d'évaluer son élimination par le système, l'oxygène étant inhibant pour la culture. Les phénomènes de transferts de chaleur sont aussi modélisés, permettant de connaitre l'impact des différents paramètres (ensoleillement, température de l'air ambiant) sur la température de culture. Ces différents modèles sont rassemblés en un modèle global qui est comparé aux résultats expérimentaux de culture d'algues. Le modèle global est ensuite utilisé dans un contexte plus complexe : l'intégration des plaques minces du photobioréacteur aux parois d'un bâtiment. Le modèle global permettra d'étudier l'effet les différentes orientations (Nord, Sud, Est, Ouest en vertical sur les façades et à l'horizontal sur les toits) sur les températures et productivité du système. La consommation d'énergie de la culture est optimisée grâce au modèle. A la suite de cette optimisation, certaines perspectives sur l'intégration énergétique d'un tel système sont proposées. / Microalgae are more and more studied for their energy potential and various applications. However, the actual production processes (open and closed photobioreactor) use a lot of energy and aren't productive enough. This thesis presents a novel process of microalgae culture, with an airlift system coupled to a thin plate. The photobioreactor is experimentally characterized and modeled for many aspects. Hydrodynamics of the system is modeled to predict the fluid behavior in the system. Mass transfers are modeled using the two film model. The model allows knowing minimum carbon needs for microalgae culture. It also allows evaluating dissolved oxygen concentration in the photobioreactor and its elimination efficiency. Oxygen is inhibiting the culture at high concentration. Heat transfers are also modeled, allowing to know climate parameters impact (sunshine, ambient air temperature) on culture temperature. All models are assembled in a global model. This model is compared to microalgae culture experimental results. Finally, the global model is used to study a more complex system: culture thin plates are integrated on the walls of buildings. Global model allow studying different orientation effects on temperature and productivity of the system. Culture is optimized for energy consumption and some perspectives on energy integration of such a system are proposed.

L'hydrodynamique et les transferts thermiques dans des réacteurs types lits fixes font l'objet d'études depuis une soixantaine d'années. Les informations fournies par ces travaux sont importantes pour le dimensionnement des réacteurs industriels. En effet, une étroite relation entre les propriétés de transports et le design du procédé (réacteur et support catalytique) est mise en avant dans l'état de l'art. Mais force est de constater que la complexité des phénomènes entraine des divergences entre les observations et les différentes conclusions faites par les auteurs. Deux pilotes à échelle laboratoire ont été conçus et mis en place au cours de cette thèse. L'un est dédié à l'étude hydrodynamique et l'autre à l'étude thermique. La caractérisation hydro-thermique des réacteurs passe également par une étape de développement de modèles mathématiques associés aux pilotes. Ils représentent les transferts opérant au sein d'une colonne garnie. Ils permettent également d'estimer les paramètres effectifs du milieu poreux. Les quatre grandeurs caractéristiques étudiées dans cette thèse sont les pertes de charges, la dispersion axiale, la conductivité effective globale et le coefficient d'échange thermique à la paroi. Les résultats obtenus à partir des modèles sont comparés aux travaux de la littérature. Ceci permet de valider les méthodes d'estimation développées dans cette thèse. Il est remarqué que les corrélations prédictives de la conductivité effective sont peu adaptées aux morphologies de supports les plus complexes. Nous proposons donc aussi de nouvelles corrélations basées sur nos mesures / Hydrodynamics and heat transfers in packed bed reactors have been studied for about sixty years. The information supplied by this work is important for the design of industrial reactors. Indeed, there is a close relationship between the heat and mass transfers and the design of the process (reactor and catalytic support); this is highlighted in the state of the art. It is clear that the complexity of the phenomena is the cause of divergences between the observations and the conclusions made by the authors. Two laboratory-scale pilots were designed and set up during this PhD thesis. One is dedicated to the hydrodynamic studies and the other to the thermal studies. The hydro-thermal characterization of the reactors includes a step of development of mathematical models associated with the pilots. They represent transfers occurring within the bed of particles. Coupling experimental data with the models allows estimating the effective parameters of the porous medium. The four characteristic quantities studied in this PhD thesis are the pressure drop, the axial dispersion, the overall effective conductivity and the heat transfer coefficient at the wall. The results are compared with the data provided by the open literature. This validates the estimation methods developed during this PhD thesis. It is noticed that the predictive correlations of the effective thermal conductivity are not adapted to the morphologies of the most complex supports. Based on our measurements, new correlations were developed

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre. / The biofilms, mainly composed of micro-organisms and exopolymers, develop themself on nonsterile wet surfaces. They are of considerable importance in many industrial and environmental applications, among which biofilters used in water treatment. The strong interaction between the flow and the biofilm development in this type of processes returns very difficult their modelling without drastic progress in the comprehension of phenomena appearing on various scales (biofilm, pore, biofilter). This thesis aims to bring a better comprehension of the mechanisms which control the biofilm growth on a local scale. A flow chamber characterized by a laminar flow profile was developed to allow the in-situ observation and the analysis of cell adhesion, detachment and the growth of P. putida bacteria under sheared flow. The results also showed that the growth kinetics measured in batch was not applied, for low Reynolds number in the case of a biomass fixed to solid support and subjected to a shear stress. The study revealed also, as already shown before in certain research tasks, the biofilms organization in response to the sheared flow. The technique of 3d-reconstruction developed and implemented in complement to the direct optical microscopy allowed a better interpretation of global biofilm architecture and have explained how the microstructure can influence the biofilm friction toward fluid flow. We have simulated the distribution of the local velocity profiles in biofilm microstructure and our estimation of permeability has highlighed the importance of local distribution of biomass in this parameter.

Cette thèse traite de la modélisation des marées fluides des planètes telluriques du système solaire et des systèmes exoplanétaires.En premier lieu, nous examinons la réponse de marée des couches atmosphériques, soumises au potentiel de marée gravifique et au forçage thermique de l’étoile hôte du système. Nous proposons un nouveau modèle global prenant en compte les processus dissipatifs avec un refroidissement newtonien, modèle à partir duquel nous traitons la dynamique des ondes de marées engendrées par ces forçages, et quantifions leur dissipation, le nombre de Love et le couple de marée exercé sur la couche atmosphérique en fonction de la fréquence de forçage. Ceci nous permet d'étudier l'ensemble des configurations possibles depuis les planètes au voisinage de la synchronisation telles que Vénus jusqu'aux rotateurs rapides tels que la Terre.En second lieu, nous développons une approche similaire pour les océans de planètes de type terrestre, où la friction visqueuse effective de la topographie est prise en compte, à partir de laquelle nous quantifions la réponse de marée d’un océan global potentiellement profond et sa dépendance à la fréquence d’excitation. Dans ce cadre, et ce grâce à des modèles locaux, nous caractérisons de manière détaillée les propriétés des spectres en fréquence de la dissipation engendrée par les ondes de marées au sein des couches fluides planétaires (et stellaires) en fonction des paramètres structurels et dynamiques de ces dernières (rotation, stratification, viscosité et diffusivité thermique). / This thesis deals with the modeling of fluid tides in terrestrial planets of the Solar system and exoplanetary systems.First, we examine the tidal response of atmospheric layers, submitted to the tidal gravitational potential and the thermal forcing of the host star of the system. We propose a new global model taking into account dissipative processes with a Newtonian cooling, model that we use to treat the dynamics of tidal waves generated by these forcings, and to quantify their dissipation, the Love number and the tidal torque exerted on the atmospheric layer as a function of the forcing frequency. This allows us to study possible configurations from planets close to synchronization such as Venus to rapid rotators such as the Earth.Second, we develop a similar approach for the oceans of terrestrial planets where the action of topography is taken into account thanks to an effective viscous friction. From this modeling, we quantify the tidal response of a potentially deep global ocean and its dependence of the tidal frequency. In this framework, and by using local models, we characterize in detail the properties of the frequency spectra of dissipation generated by tidal waves within fluid planetary (and stellar) layers as functions of the structural and dynamical parameters of these latters (rotation, stratification, viscosity and thermal diffusivity).

L’objectif de cette thèse était de proposer une contribution dans le domaine de la modélisation du comportement de digues flottantes permettant d’optimiser le positionnement et le dimensionnement de ces structures. La finalité étant de participer à la définition d’outils d’aide à la décision pour l’aménagement portuaire destiné à la protection des installations. Nous avons proposé un nouveau modèle de comportement de digues flottantes. Ce modèle de comportement simple et efficace combine deux modèles. Le premier est un modèle de Berkhoff étendu et amélioré qui prend en compte les effets de frottement au fond, de bathymétrie fortement variable et de déferlement. Il permet d’évaluer dans le plan horizontal du port la propagation de la houle. Le second est un modèle décrivant le comportement hydrodynamique d’une digue flottante dans le plan vertical de sa section transversale. Une étude paramétrique a permis de valider globalement ce nouveau modèle. Nous avons proposé ensuite une démarche d’optimisation spécifique basée sur une formulation multicritère du problème d’optimisation et utilisant des techniques de méta modélisation et un algorithme stochastique pour accélérer les calculs. Le front de Pareto obtenu permet pour un port donné, de déterminer la capacité maximale d’absorption de la houle et les dimensions de la plus petite digue / The objective of this thesis is to add a contribution in the field of modeling of the behavior of floating breakwaters, in order to optimize the positioning and sizing of these structures. It is aimed to participate in the definition of the decision making techniques in harbor development intended to the protection of installations. A new model for the behavior of floating breakwaters is proposed. This simple and efficient behavior model combines two models: The first is an extended and improved Berkhoff model that takes into account the effects of bed friction, highly variable bathymetry and wave breaking so that the propagation of waves in the horizontal plane of harbor is evaluated. The second model describes the hydrodynamic behavior of a floating breakwater in the vertical plane of its cross section. A parametric study is used to globally validate the new model, after which a specific optimization approach based on a multi criteria formulation of the optimization problem is proposed. Meta-modeling techniques and stochastic algorithm are together employed to speed up the calculations. The obtained Pareto front allows, for a given harbor, to determine the maximum absorption capacity of waves and the dimensions of the smallest breakwater

Avec l’essor actuel de la sophistication et de l’efficacité des codes de cosmologie hydrodynamique,il est devenu possible d’inclure le transfert radiatif (RT) des photons ionisants dansles simulations cosmologiques, soit en post-traitement, soit en simulations couplées rayonnement+hydrodynamique (RHD). Malgré de nombreux obstacles, il y a eu cette derniéredécennie beaucoup de recherches menées sur les différentes stratégies et implémentations,dû au fait qu’un nombre de problèmes intéressants peuvent être désormais abordés par laRT et RHD, par exemple comment et quand l’Univers s’est réionisé, comment l’émissionradiative des étoiles et des noyaux actifs de galaxies se comportent pour réguler la formationdes structures à des échelles petites et grandes, et quelles prédictions et interprétationsnous pouvons faire des phénomènes observés, tels que la forêt Lyman-alpha et des sourcesdiffuses de rayonnement.Cela coïncide avec l’avènement du télescope spatial James Webb (JWST) et d’autresinstruments de pointe qui sont sur le point de nous donner un aperçu sans précédent sur lafin des âges sombres de l’Univers, quand le cosmos est passé d’un état froid et neutre à unétat chaud et ionisé, à la suite de l’apparition des sources radiatives.Notre préoccupation principale étant les rétroactions radiatives des premieres structures,nous avons mis en place une version RHD du code cosmologique Ramses, que nous appelonsRamsesRT, basée sur la méthode des moments. Ce code nous permet d’étudier les effets durayonnement ionisant dans les simulations cosmologiques RHD qui tirent pleinement profitdes stratégies de raffinement adaptif de grille et de parallélisation de Ramses. Pour rendreauto-cohérent le RHD nous avons également mis en oeuvre une thermochimie hors-équilibreincluant des espèces de l’Hydrogène et de l’Hélium qui interagissent avec le rayonnementtransporté.Je présente dans cette thèse une description détaillée de RamsesRT et de nombreux testscontribuant à sa validation.Jusqu’à présent nous avons utilisé RamsesRT pour étudier l’émission Lyman-alpha decourants d’accrétion, qui sont prédits à grand redshift par les simulations cosmologiques,mais n’ont jamais été clairement identifiés par les observations. Nous avons également étudiéle chauffage gravitationnel dans ces courants pour déterminer si ce dernier pouvait être lasource motrice principale des Lyman-alpha blobs, un phénomène observé qui a été beaucoupétudié et débattu au cours de la dernière décennie. Cet étudie nous permet de conclure queles Lyman-alpha blobs peuvent, en principe, être alimentés par le chauffage gravitationnel,et que d’autre part, les courants d’accrétion sont sur le point d’être directement détectablesavec des instruments à venir.Mes intentions futures sont d’utiliser RamsesRT dans les simulations cosmologiques àhaute résolution, de la formation des premiéres galaxies jusqu’à l’époque de la réionisation,et ainsi étudier comment la rétroaction radiative affecte la formation et l’évolution de cesgalaxies et de faire des prévisions d’observation qui peuvent être testées avec des instrumentssophistiqués tels que le JWST. / With the increasing sophistication and efficiency of cosmological hydrodynamics codes, ithas become viable to include ionizing radiative transfer (RT) in cosmological simulations,either in post-processing or in full-blown radiation-hydrodynamics (RHD) simulations. Inspite of the many hurdles involved, there has been much activity during the last decade or soon different strategies and implementations, because a number of interesting problems canbe addressed with RT and RHD, e.g. how and when the Universe became reionized, howradiation from stars and active galactic nuclei plays a part in regulating structure formationon small and large scales, and what predictions and interpretations we can make of observedphenomena such as the Lyman-alpha forest and diffuse sources of radiation.This coincides with the advent of the James Webb space telescope (JWST) and otherstate-of-the-art instruments which are about to give us an unprecedented glimpse into theend of the dark ages of the Universe, when the cosmos switched from a cold and neutralstate to a hot and ionized one, due to the turn-on of ionizing radiative sources.With a primary interest in the problem of radiative feedback in early structure formation,we have implemented an RHD version of the Ramses cosmological code we call RamsesRT,which is moment based and employs the local M1 Eddington tensor closure. This code allowsus to study the effects of ionizing radiation on-the-fly in cosmological RHD simulationsthat take full advantage of the adaptive mesh refinement and parallelization strategies ofRamses. For self-consistent RHD we have also implemented a non-equilibrium chemistry ofthe atomic hydrogen and helium species that interact with the transported radiation.I present in this thesis an extensive description of the RamsesRT implementation andnumerous tests to validate it.Thus far we have used the RHD implementation to study extended line emission fromaccretion streams, which are routinely predicted to exist at early redshift by cosmologicalsimulations but have never been unambiguously verified by observations, and to investigatewhether gravitational heating in those streams could be the dominant power source ofso-called Lyman-alpha blobs, an observed phenomenon which has been much studied anddebated during the last decade or two. Our conclusions from this investigation are thatLyman-alpha blobs can in principle be powered by gravitational heating, and furthermorethat accretion streams are on the verge of being directly detectable for the first time withupcoming instruments.My future intent is to use RamsesRT for high-resolution cosmological zoom simulations ofearly galaxy formation, up to the epoch of reionization, to study how radiative feedbackaffects the formation and evolution of those galaxies and to make observational predictionsthat can be tested with upcoming instruments such as the JWST.

Le récent développement des menaces terroristes renforce l'effort de recherche du CEA et d'EDF pour la protection des citoyens et des installations. De nombreux scénarios doivent être envisagés comme, par exemple, la chute d'un avion de ligne sur une structure de génie civil. La dispersion du carburant dans la structure, son embrasement sous forme de boule de feu et les effets thermiques associés sont des éléments essentiels du problème. L'utilisation de modèles numériques est indispensable car des expériences seraient difficiles à mettre en œuvre, coûteuses et dangereuses. Le problème type que l'on cherche à modéliser est donc l'impact d'un réservoir rempli de fluide, sa déchirure et la dispersion de son contenu. C'est un problème complexe qui fait intervenir une structure mince avec un comportement fortement non-linéaire allant jusqu'à rupture, un fluide dont la surface libre peut varier drastiquement et des interactions fluide-structure non permanentes. L'utilisation des méthodes numériques traditionnelles pour résoudre ce problème semble difficile, essentiellement parce qu'elles reposent sur un maillage. Cela complique la gestion des grandes déformations, la modélisation des interfaces variables et l'introduction de discontinuités telles que les fissures. Afin de s'affranchir de ces problèmes, la méthode sans maillage SPH (\og Smoothed Particle Hydrodynamics \fg) a été utilisée pour modéliser le fluide et la structure. Ce travail, inscrit dans la continuité de recherches précédentes, a permis d'étendre un modèle de coque SPH à la modélisation des ruptures. Un algorithme de gestion des interactions fluide-structure a également été adapté à la topologie particulière des coques. Afin de réduire les coûts de calcul importants liés à ce modèle, un couplage avec la méthode des éléments finis a également été élaboré. Il permet de n'utiliser les SPH que dans les zones d'intérêt où la rupture est attendue. Finalement, des essais réalisés par l'ONERA sont étudiés pour valider la méthode. Ces travaux ont permis de doter le logiciel de dynamique rapide Europlexus d'un outil original et efficace pour la simulation des impacts de structures minces en interaction avec un fluide. Un calcul démonstratif montre enfin la pertinence de l'approche et sa mise en œuvre dans un cadre industriel. / The recent development of terrorist threats increases the research effort of the french Atomic Energy Commission (CEA) and the French Electricity company (EDF) for the protection of citizens and facilities. Many scenarios should be considered as, for example, the fall of an airliner on a civil engineering structure. The dispersion of fuel in the structure, the formation of a fireball and associated thermal effects are essential elements of the problem. The use of numerical models is essential because experiences would be difficult to organize, costly and dangerous. The typical problem that we want to model is the impact of a tank filled with fluid, its rupture and the dispersion of its contents. It is a complex problem which involves a thin structure with a highly non-linear behavior up to rupture, a fluid with a free surface that can vary drastically and non permanent fluid-structure interactions. The use of traditional numerical methods to solve this kind of problems is difficult, mainly because they rely on a mesh. This complicates the management of large deformations, the modeling of moving interfaces and the introduction of discontinuities such as cracks. To overcome these problems, the meshfree method SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) was used to model both the fluid and the structure. This work, which is a continuation of previous research, has extended a model of SPH shell to the modeling of ruptures. An algorithm for managing fluid-structure interactions has also been adapted to the particular topology of shells. To reduce the important computational costs associated with this model, a coupling with the finite element method was also developed. It allows the use of SPH in areas of interest where the rupture is expected. Finally, tests performed by the french Aerospace Lab (ONERA) are studied to validate the method. This work helped to provide fast dynamic software Europlexus an original and effective tool for the simulation of the impact of thin structures interacting with fluid. A demonstrative calculation finally shows the relevance of the approach and its use within an industrial framework.

L’appauvrissement en lubrifiant d’un contact élasto-hydrodynamique peut menacer la pérennité du film interfacial séparant les surfaces, entraîner l’augmentation des forces de frottement et l’endommagement rapide du tribosystème. Industriellement, la volonté de réduire les quantités de lubrifiant embarquées et de limiter les opérations de maintenance favorisent la sous-alimentation. L’objectif de cette thèse est de contrôler l’alimentation d’un contact EHD sous-alimenté par une texturation de surface multi-échelle, afin d’assurer une lubrification minimale à l’interface. Une démarche scientifique s’appuyant sur la dissociation des échelles spatiales, temporelles ainsi que sur l’analyse des contributions des écoulements dans les différentes zones du contact a été mise en oeuvre. La compréhension de l’interaction laser/matière en irradiation ultra-brève a permis de générer des texturations nanométriques (ripples) et micrométriques (ondulations et réseaux de cavités) à l’aide d’un laser femtoseconde. La contribution de chaque échelle topographique sur la lubrification d’un contact a été étudiée. Lorsque les forces hydrodynamiques sont faibles (contact statique), l’alimentation d’un contact résulte d’une compétition entre une contribution capillaire et une contribution visqueuse. La macro géométrie des solides déformés ainsi que la viscosité pilotent au premier ordre la propagation du lubrifiant à l’extérieur de la zone haute pression. L’imbibition de la zone de Hertz n’est possible qu’avec l’introduction d’une surface nanotexturée et sa cinétique dépend de l’orientation et de l’amplitude des ripples. Pour des nombres capillaires élevés (contact dynamique), un critère de prédiction de l’apparition de la sous-alimentation a été établi. En présence de réseaux de cavités et sous l’action d’un cisaillement interfacial, les surfaces texturées possédant une capacité de rétention élevée réalimentent la zone de haute pression. Le volume piégé envahit alors le contact puis crée une surépaisseur de lubrifiant qui protège les solides de l’endommagement tout en limitant l’augmentation du frottement. Les texturations nanométriques (ripples) et micrométriques, anisotropes et périodiques, modifient l’équilibre entre les débits de réalimentation et les débits de fuite. Une orientation adaptée des motifs peut contenir le drainage du lubrifiant dans le contact et ainsi empêcher ou retarder l’apparition d’un régime de sous-alimentation totale. Au final, chaque échelle topographique contribue à la réalimentation d’un contact sousalimenté, soit en favorisant l’expansion des réservoirs latéraux, soit en apportant localement du lubrifiant, ou en maintenant un film fluide résiduel sur les surfaces. / The lubricant depletion of an elasto-hydrodynamic contact may threaten the sustainability of the interfacial film separating the surfaces, can result in the increase of frictional forces and a rapid damage of the tribosystem. Industrially, the trend to reduce the amount of initial lubricant and to limit maintenance promotes starvation of the lubricated contact. The aim of this work is to control the lubricant feeding of a starved EHL contact by a multi-scale surface texturing, in order to ensure minimal lubrication at the interface. A scientific approach based on the separation of spatial and temporal scales, as well as the analysis of the flow contributions in different zones of the contact has been implemented.The understanding of the laser/matter interaction in ultra-short irradation has helped us to generate both nanoscale texturing (ripples) and microscale texturing such as microwaves and networks of micrometric cavities, using a femtosecond laser. The contribution of each topographic scale on the contact lubrication has been analysed. When the hydrodynamic forces are low (static contact), the feeding of the contact results from a competition between capillary and viscous contributions. The macro geometry of the deformed solids and the lubricant viscosity mainly control the lubricant spread around the high-pressure zone. The imbibition of the Hertz contact area is only possible with the introduction of a nanotextured surface. The imbibition kinetics depends on the orientation and amplitude of the ripples. For high capillary numbers (dynamic contact), a criterion has been established in order to predict the occurrence of starvation. Using a network of micro cavities and the action of an interfacial shear, the high retention capacity textured surfaces brings lubricant to the high-pressure zone. The trapped volume propagates inside the contact and creates a film thickness that protects the solids from damages while limiting the increase in friction. Anisotropic and periodic nanoscale and microscale texturing, like ripples, influences the balance between re-feeding and leakage flow rates. A suitable orientation of the geometries may prevent the lubricant from drainage and thus delay the onset of a starved lubrication regime. In conclusion, each topographic scale contributes to re-feed a starved contact, by promoting lateral reservoir extension, by providing lubricant locally where it is needed, or maintaining a residual fluid film on surfaces.

Les rotors sont excités non seulement par le balourd tournant mais aussi par les différents mouvements de leur support : turbocompresseurs de véhicules, turbomoteurs aéronautiques, pompes à vide portées en sont des exemples industriels. Ainsi la conception de rotors robustes capables de bien fonctionner sous de telles conditions (excitations extrêmes) est nécessaire pour éviter des instabilités, source de défaillance catastrophique. Le présent travail a pour objectif de prévoir le comportement dynamique d’un rotor embarqué monté sur des paliers rigides ou élastiques hydrodynamiques et soumis à des excitations du support rigide. Les énergies cinétiques et de déformation ainsi que le travail virtuel des composants d’un rotor flexible tournant sont calculés. Le modèle proposé de rotor embarqué est basé sur les éléments finis de poutre de TIMOSHENKO. Il contient les effets relatifs à l’inertie de rotation des sections droites, à l’inertie gyroscopique, à la déformation de cisaillement d’arbre et à la dissymétrie géométrique de l’arbre et/ou du disque rigide et considère six types de mouvements déterministes (rotations et translations) du support. Suivant le type d’analyse utilisé pour le palier, les forces de rappel hydrodynamiques agissant sur l’arbre et calculées avec l’équation de REYNOLDS sont linéaires/non linéaires. L’utilisation des équations de LAGRANGE fournit les équations différentielles linéaires/non linéaires du mouvement du rotor embarqué en flexion par rapport au support mobile supposé rigide, qui représente un système de coordonnées non inertiel. Les équations du mouvement contiennent des termes paramétriques périodiques en raison de la dissymétrie géométrique du rotor et des termes paramétrique variables dans le temps en raison des rotations du support. Ces termes paramétriques sont considérés comme des sources d’excitation intérieure et conduisent à une instabilité dynamique latérale. Dans les applications numériques proposées, trois configurations de rotor embarqué sont analysées. Tout d’abord, un rotor symétrique monté sur des paliers rigides est soumis à un balourd combiné avec des mouvements de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Ensuite, un rotor avec une dissymétrie géométrique du disque monté sur des paliers rigides est excité par l’effet de balourd et par des mouvements combinés de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Enfin, un rotor symétrique monté sur des paliers hydrodynamiques est soumis au balourd et aux excitations sinusoïdales de rotation ou de translation du support. / Rotors are excited not only by the rotating mass unbalance but also by the different motions of their support: vehicle turbochargers, aircraft turbo-engines, carried vacuum pumps, are different industrial applications. Thus the design of robust rotors able to run well under such conditions (extreme excitations) and to avoid catastrophic failure is required. The present work aims to predict the dynamic behavior of an on-board rotor mounted on rigid or elastic hydrodynamic journal bearings and subjected to rigid support excitations. The kinetic and strain energies as well as the virtual work of the rotating flexible rotor components are computed. The proposed on-board rotor model is based on TIMOSHENKO beam finite elements. It includes the effects relative to the rotating inertia, the gyroscopic inertia, the shear deformation of shaft as well as the geometric asymmetry of shaft and/or rigid disk and considers six types of deterministic motions (rotations and translations) of the support. Depending on the type of analysis used for the bearing, the restoring fluid film forces acting on the shaft and computed with the REYNOLDS equation are linear/non-linear. The use of LAGRANGE’s equations yields the linear/non-linear differential equations of vibratory motion of the on-board rotor in bending with respect to the moving rigid support which represents a non-inertial reference frame. The equations of motion contain periodic parametric coefficients because of the geometric asymmetry of the rotor and time-varying parametric coefficients because of the support rotations. These parametric coefficients are considered as sources of internal excitation and can lead to lateral dynamic instability. In the proposed numerical application examples, three rotor configurations are studied. Firstly, a symmetric rotor mounted on rigid bearings is subjected to rotating mass unbalance combined with constant rotation and sinusoidal translation of the support. Secondly, a rotor with geometric asymmetry due to the disk mounted on rigid bearings is excited by the mass unbalance effect and by the combination of a constant rotation and a sinusoidal translation of the support. Thirdly, a symmetric rotor mounted on linearized/non-linear hydrodynamic bearings is subjected to the excitation due to the mass unbalance and to the sinusoidal rotational or translational excitations of the support.