Le but de ce travail est la caractérisation thermophysique de matériaux de construction solides et opaques (PVC, EPS, plâtre et béton) en laboratoire, avec une extension de la méthode vers des conditions in-situ (sable, paroi en béton cellulaire), et la mise en évidence de l’interaction des propriétés thermophysiques du matériau avec sa teneur en eau. Il repose sur l’étude numérique - via un modèle en différences finies - et expérimentale du transfert de chaleur par conduction. L’approche proposée consiste à envisager une distribution de capteurs de température répartis dans le sens du transfert dans une configuration expérimentale multicouche. Ces capteurs, des thermocouples permettent d’enregistrer les évolutions de températures aux différents points de mesure et d’extraire les caractéristiques thermiques du matériau dans chaque intervalle en les introduisant dans un schéma d’inversion. Le système instrumenté pourrait être sollicité de façon artificielle dans une application en laboratoire ou simplement par les échanges naturels avec son environnement dans le cas par exemple d’une paroi de bâtiment. Une progression dans la complexité des cas a été considérée. Dans un premier temps, une mise au point de la méthode sur un système multicouche constitué de matériaux homogènes, stationnaires et permettant d’identifier les paramètres thermiques d’un des composants. Par la suite, des matériaux de propriétés thermophysiques variables et évolutives avec pour objectif de proposer à plus long terme, un outil de suivi de propriétés thermiques et de teneur en eau des matériaux. / The purpose of the actual work is to thermally characterize opaque solid building materials (PVC, EPS, Plaster and Concrete). First tests in laboratory tend next to be in situ conditions (sand, aerated concrete wall) where thermophysical properties and moisture content interactions are highlighted. It is based on conductive heat transfer numerical (finite difference method) and experimental study. The proposed approach aims to place thermocouples in a multilayer thickness in the heat transfer direction. They allow temperature measurement at different nodes of the material. The temperatures are incorporated in an inverse heat transfer process to estimate characteristics at each layer. The tested materials could be submitted to either artificial thermal excitation or natural excitation in the case of building wall for example. Progressive complexity of the studied cases is considered. In fact, the first studied cases concerns homogenous inert materials which the quasi constant thermophysical properties were estimated. Then, materials with variable characteristics were considered for a long term thermophysical properties and moisture content monitoring.

L’intérêt croissant pour les matériaux biosourcés dans le domaine de la construction se heurte à des difficultés quant à la simulation de leur comportement hygrothermique. En particulier, les matériaux isolants tels que les panneaux de fibres concentrent toutes les difficultés car ils sont peu conducteurs thermiquement, très hygroscopiques et très diffusifs à la vapeur d’eau. Conséquemment, en régime transitoire le couplage chaleur masse est exacerbé et les phases de l’eau ne sont pas à l’équilibre localement.Afin de mettre en évidence ce second phénomène, un nouveau dispositif expérimental a été développé. Il permet de soumettre un échantillon de quelques centimètres d’épaisseur à une perturbation de l’humidité relative sur sa face avant puis de mesurer simultanément l’évolution de l’humidité relative sur sa face arrière et de sa masse. En situation de non-équilibre, il existe un déphasage entre ces deux grandeurs que la formulation de transferts couplés classique n’arrive pas à prédire. Afin d’obtenir une prédiction correcte, une nouvelle formulation a été utilisée. Celle-ci se base sur l’emploi de fonctions mémoires caractérisant la diffusion microscopique. De manière à démontrer la capacité prédictive de la nouvelle formulation, ces fonctions ont été déterminées avec des essais gravimétriques réalisés sur de très petits échantillons à l’aide d’une balance à suspension magnétique. En parallèle, une analyse rigoureuse du couplage chaleur masse dans ces matériaux a permis de souligner l’impact sur leur caractérisation de différents paramètres macroscopiques.L’utilisation de la nouvelle formulation alimentée par les fonctions mémoires et les différents paramètres macroscopiques permet une excellente prédiction de l’humidité relative et de la masse. Cette nouvelle formulation validée expérimentalement est désormais utilisable dans des logiciels de simulation énergétique du bâtiment. / The growing interest in biosourced materials in the construction sector is confronted with difficulties in simulating their hygrothermal behavior. Insulating materials such as fiberboard concentrate all the difficulties because they are not very thermally conductive, very hygroscopic and very diffusive to water vapor. Consequently, in transient state, heat and mass coupling is exacerbated, and the phases of water are not in equilibrium locally.In order to highlight this second phenomenon, a new experimental device has been developed. It allows to subject a sample a few centimeters thick to a disturbance of relative humidity on its front face and then to simultaneously measure the evolution of relative humidity on its back face and its mass. In a situation of non-equilibrium, there is a phase shift between these two quantities that the classic coupled transfer formulation cannot predict. In order to obtain a correct prediction, a new formulation was used. It is based on the use of memory functions characterizing microscopic diffusion. In order to demonstrate the predictive capacity of the new formulation, these functions have been determined with gravimetric tests performed on very small samples using a magnetic suspension balance. In parallel, a rigorous analysis of the heat and mass coupling in these materials made it possible to highlight the impact of different macroscopic parameters on their characterization.The use of the new formulation fed by the identified memory functions and the various macroscopic parameters allows an excellent prediction of relative humidity and mass. This new formulation, experimentally validated, can now be used in energy simulation of the building.

La présence de poussières au sein des plasmas est rencontrée dans de multiples environnements tels que les plasmas de laboratoires ou les plasmas de fusion. Les processus conduisant à leur formation constituent un vaste champ d'études depuis plusieurs années. Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier un nouveau mécanisme de croissance des poussières dans un plasma radiofréquence capacitif en mélange argon/acétylène. Dans certaines conditions, il a été observé que des ondes de densité de poussières apparaissaient spontanément au sein des nuages de poussières. Elles peuvent grandement favoriser l'agglomération des particules grâce à l'importante énergie cinétique qu'elles leur transfèrent. Pour réaliser cette étude, différents outils diagnostics ont été développés. Pour sonder les populations de poussières nanométriques, un premier diagnostic basé sur des mesures d'extinction dans le domaine visible associé à une méthode inverse a été mis au point. Un second diagnostic permettant l'étude des populations d'agglomérats supra-microniques a été utilisé. Il est basé sur l'utilisation de l'imagerie rapide et l'analyse automatique des films à l'aide d'un algorithme adapté (TRACE). Enfin, une méthode d'extraction des poussières en vue d'analyses ex-situ et utilisant la force de thermophorèse a été développée.Ces diagnostics ont ensuite été appliqués à l'étude des ondes de poussières et des processus d'agglomération. Nous avons montré que des agglomérats de plusieurs centaines de microns pouvaient être formés en quelques dizaines de secondes. L'influence des conditions expérimentales sur les caractéristiques des ondes et des agglomérats formés a également été étudiée / The dust particle growth in plasmas is of major concern for safety issues in fusion reactors, and conversely has important industrial impacts. Dusty plasmas produced in laboratory, fusion, and in astrophysical environments have been therefore widely studied for many years to better understand the involved physical phenomena. In this thesis work, we have investigated a new dust-growing mechanism in a capacitive radio-frequency plasma of argon/acetylene mixture, with developing necessary diagnostic tools. The population of nano-particles was probed using visible-wavelength range extinction measurements combined with an inverse method. The motions and the collisions in enlarging agglomerates were followed through a fast-imaging device and the images were then analyzed using a compatible algorithm (TRACE). Ex-situ studies were also carried out on dust particles collected with an extraction technique based on the thermophoresis force. These diagnostic tools allowed us to observe a spontaneous emergence of dust density waves (DDWs) under specific experimental conditions. These waves impart substantial kinetic energy to the dust particles and thus enhance their agglomeration rate. Large agglomerates up to several hundreds of microns may thus be produced in a few tens of seconds. We have also studied the influence of experimental conditions (power, pressure) on the waves and the agglomerate characteristics

Avec le développement des énergies intermittentes et la raréfaction des énergies fossiles, le sujet du stockage de l’énergie prend de plus en plus d’ampleur. Une des voies étudiée est le stockage thermique par utilisation de matériaux à changement de phase (MCP). Cette voie est en outre développée pour améliorer l’inertie thermique dans le secteur du bâtiment. Pour utiliser au mieux ces matériaux il est nécessaire de pouvoir prévoir leur comportement énergétique. Cela nécessite une connaissance précise des propriétés thermophysiques, et en premier lieu de la fonction enthalpie massique . Actuellement, il est souvent proposé d'approximer cette enthalpie par l'intégration directe des thermogrammes de la calorimétrie utilisant notamment la notion de capacité calorifique "équivalente". Cette approche est cependant fausse car le thermogramme n’est qu'une représentation en fonction du temps de phénomènes complexes faisant intervenir non seulement les propriétés énergétique du matériaux mais également les transferts thermiques au sein de la cellule du calorimètre. Il en résulte, par exemple, que la forme des thermogrammes, et donc l’enthalpie apparente, dépend de la vitesse de réchauffement et de la masse de l'échantillon ce qui n'est pas le cas de l'enthalpie des MCP qui ne dépend, à pression fixe, que de la température ou de la concentration (pour les solutions). On propose de comparer la sortie d’un modèle numérique direct avec des thermogrammes expérimentaux. L’objectif principal de cette thèse est alors d’utiliser ce modèle dans le cadre d’une méthode inverse permettant l’identification des paramètres de l’équation d’état permettant alors de calculer l’enthapie massique . Dans un premier temps, il est donc présenté le détail d'un modèle 2D dit enthalpique qui néglige la convection, validé par l'expérience, permettant de reconstituer les thermogrammes de corps purs ou de solutions binaires dont les enthalpies sont connues. Il en est déduit une étude de l'influence des différents paramètres ( , , , ...) sur la forme des thermogrammes pour en déduire leurs sensibilités. Une réduction de ce modèle est ensuite effectuée pour réduire le temps de calcul du modèle direct en vue de l’utilisation dans une méthode inverse. Cette dernière est décrite ainsi que les algorithmes d’optimisation correspondants (de Levenberg-Marquardt, génétique ou du simplexe qui s'est avéré le plus rapide) dans un second temps. Nous appliquerons ensuite cet algorithme pour identifier, à partir d'expériences, la fonction enthalpie de corps purs ou de solutions binaires. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’identifier une fonction independante de la vitesse de réchauffement et de la masse, ce qui valide la méthode. Une analyse des différentes sources d’erreurs dans le processus d’identification et leurs influences sur le résultat permet d’évaluer la qualité de la fonction enthalpie que l’on identifie. Enfin, cette même approche a été utilisée pour analyser une expérience réalisée sur un échantillon d’un matériau composite utilisé dans le bâtiment (ciment avec inclusion de MCP micro-encapsulé). Dans ce cas encore, nos méthodes permettent une caractérisation énergétique pertinente. / With the development of intermittent sources of energy and the depletion of fossil fuels, the subject of energy storage is becoming an important topic. One of the studied options is tthe latent hermal storage using of phase change materials (PCM). One application for this type of energy storage is to improve the thermal insulation in buildings. To make the best use of these materials it is necessary to be able to predict their energy behavior. This requires a precise knowledge of their thermophysical properties, first of all of the specific enthalpy function of the material . Currently, it is often suggested to approximate the enthalpy by the direct integration of the thermograms obtained through calorimetry experiments (notion of "equivalent" calorific capacity). This approach is false because thermograms are only a time related representation of complex phenomena where thermal transfers arise in the cell of the calorimeter acting with the thermophysical properties. As a result, for example, the shape of thermograms depends on the heating rate and on the mass of the sample, which is not the case for the enthalpy of the PCM, which depends, at constant pressure, only on the temperature or on the concentration (for the solutions). We propose to compare the results given by a of a numerical direct model with experimental thermograms. The main objective in this thesis is then to use this direct model in an inverse method in order to identify the parameters of the equation of state, which enables us to calculate the specific enthalpy . First of all, the detail of an enthalpy model is presented, and then validated by comparison with experiments, allowing us to reconstruct the thermograms of pure substances or of salt solutions, of which the enthalpies are known. A study of the influence of the various parameters ( , , , .,..) on the shape of thermograms is also undertaken in order to deduce their sensibilities. A reduced model is then developed in order to reduce the calculating time of the direct model. This optimized model allows the use of inverse methods with acceptable durations. Several inverses algorithms are then presented: Levenberg-Marquardt, evolutionary and Simplex which has proved to be the fastest). We shall then apply this algorithm to identify, from calorimetric experiments, the enthalpy function of pure substances or of salt solutions. The results that we obtain show that it is possible to identify a function independent of the heating rate and of the mass, which validates the method. An analysis of the various sources of errors in the identification process and of their influences on the result allows us to estimate the quality of the enthalpy function that we identify.

La compression élastique est la thérapeutique conservatrice la plus efficace pour la prise en charge de l'insuffisance veineuse et pour le traitement de la maladie veineuse chronique et de ses complications. Malheureusement, en pratique, les objectifs thérapeutiques ne sont pas toujours atteints ce qui souligne le manque de connaissance actuel concernant les mécanismes qui permettent aux Bas Médicaux de Compression (BMC) d'apporter les bienfaits thérapeutiques. Pour apporter des éléments de réponse, une étude numérique de l’action des BMC sur les veines a été réalisée. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour prévoir les pressions transmises aux parois des veines superficielles et pour quantifier la diminution de la pression transmurale et du calibre que la compression engendre. Une étude de sensibilité réalisée à partir du modèle Eléments Finis développé a permis de mettre en évidence les principaux paramètres qui conditionnent l’action des BMC. Il a ensuite été utilisé pour simuler différents scénarios d’application en lien avec la compression en post-sclérothérapie pour répondre à des problématiques industrielles. Dans une deuxième phase de l’étude, une méthode de modélisation numérique de la réponse des veines profondes à la contraction musculaire lors du port d’un BMC a été développée. Une étude de sensibilité a permis d’apporter des éléments de réponse quant à l’influence relative des aponévroses musculaires, de la contraction musculaire et du port d’un BMC. Ces travaux ouvrent des perspectives d’études nouvelles sur le développement d’outils pour permettre aux fabricants de BMC d’adapter le niveau de compression à chaque patient. / Compression therapy is a highly effective modality for treating venous disorders of the lower leg and is considered as the “gold standard” for non-operative therapy. However the mechanisms by which Medical Compression Stockings (MCS) benefit the control and treatment of venous insufficiency are neither clearly understood nor have they been conclusively demonstrated. In the present study, the biomechanical response of the lower leg veins to elastic compression is modelled in order to address some of the issues relating to the mechanisms by which it achieves its medical function. First, a new methodology has been developed in order to predict the pressure transmitted to the superficial vein wall during external compression and to quantify the resulting variations of transmural pressure and of the vein cross sectional area. A parametric study was performed to study the influence of the model parameters on the response of the vein. The developed model was also used to simulate different scenarii related to the use of elastic compression after sclerotherapy. In a second step, a numerical approach was developed to model the biomechanical response of deep veins to elastic compression. A parametric study was performed to evaluate the relative influence of the muscular aponeurosis, muscular contraction and external compression applied by MCS. The obtained results bring a new insight on MCS mechanical action and its possible benefits. They also open up new perspectives, especially, regarding the development of new tools to assist MCS manufacturers in adapting the level of compression to the location of the deep vein, the morphology of the patient and the severity of the disease.

Mesurer la teneur en eau et l'angle des microfibrilles est un enjeu important pour les sciences du bois car ces deux paramètres influencent fortement le comportement macroscopique du bois. Par exemple, le retrait, les propriétés mécaniques, la conductivité thermique et acoustique sont dépendants de la teneur en eau et leur caractère anisotrope est en grande partie régi par l'angle des microfibrilles. L'objectif cette thèse est l'utilisation d'un rayonnement X avec un spectre poly-énergétique, pour mesurer sans contact la teneur en eau et l'angle de microfibrilles du bois.Nous avons exploité la légère différence entre le coefficient d'atténuation des rayons X pour l'eau et pour le bois dans des essais de transmission. Malheureusement, les résultats montrent que cette différence entre les coefficients d'atténuation est insuffisante pour permettre la mesure précise de la teneur en eau. En revanche, malgré la proximité de ces coefficients d'atténuation, des essais de diffusion cohérente du rayonnement montrent des effets sensibles. Ainsi, en utilisant un faisceau X poly-énergétique et un système de mesure spectrométrique du rayonnement transmis et diffusé, nous avons pu discriminer le composant cristallin (cellulose du bois) du composant amorphe (eau) dans un échantillon du bois humide car pour un angle donné ces phases diffractent à des énergies différentes. Par ailleurs, le dispositif créé spécialement nous a permis d'étudier la phase cristalline du bois. Nous avons pu confronter des profils de diffraction expérimentaux avec des profils de diffraction théoriques, obtenus au moyen d'une simulation rigoureuse, dans l'objectif d'estimer l'angle moyen de microfibrilles et son écart type.

De nombreux secteurs industriels investissent dans la simulation numérique afin de diminuer les coûts de production, de raccourcir les durées de conception et d'industrialisation des produits et d'augmenter la robustesse des procédés de fabrication. Cet objectif pose des défis importants à la communauté mécanicienne dans la mesure où il s'agit de concevoir des modèles numériques fiables et performants, capables de reproduire le comportement mécanique des matériaux. Les études entreprises, s'inscrivent dans cette démarche et concilient analyse expérimentale et modélisation numérique. Dans un premier temps, sur la base d'une logique classique suivant le triptyque : (i) essais mettant en oeuvre la technique de corrélation d'images, (ii) modélisation adaptée et (iii) utilisation des modèles et de leurs paramètres associés, il est montré comment les résultats des simulations numériques s'accordent avec l'expérience. Deux exemples sont plus particulièrement détaillés, l'un relevant du secteur biomédical, l'autre de l'industrie du packaging. Au-delà de cette logique, une approche de type recalage de modèles éléments finis à partir de mesures de champs cinématiques et thermiques est présentée dans un deuxième temps. Cette méthode d'identification inverse est mise en oeuvre sur des essais générant des champs de déformations hétérogènes, pour certains hors-plans, toujours à des fins d'identification du comportement thermomécanique du titane. Les résultats obtenus mettent en évidence l'intérêt de cette technique de pouvoir identifier un nombre plus élevé de paramètres que dans les études abordées précédemment basées sur des essais homogènes classiques.

Les éboulements de terrain posent des problèmes importants pour la gestion des risques, à cause de leur soudaineté et de l'absence de signe précurseur. La détection d'un compartiment instable, l'évaluation de sa stabilité ainsi que la compréhension de la dynamique de sa propagation sont des éléments majeurs dans l'évaluation de l'aléa d'éboulement. En premier lieu, le géoradar a permis de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fracture. Une stratégie d'inversion des caractéristiques des fractures (épaisseur et remplissage), basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des réflexions des ondes électromagnétiques avec une approche de couche mince a été développé et appliqué de façon convaincante sur des données réelles acquises sur deux sites différents.<br /><br />La seconde partie est consacrée à l'exploitation des signaux sismiques enregistrés lors de douze éboulements différents. Une nouvelle échelle de magnitude a été définie, qui a permis de classer les différents événements. Aucune relation n'a été trouvée entre les paramètres géométriques (et l'énergie potentielle dérivée) et la magnitude. Par contre la durée du signal montre une bonne corrélation avec l'énergie potentielle. L'analyse détaillée des signaux suggère l'existence d'au moins deux sources sismiques, une correspondant à la rupture associée au rebond élastique induit par le détachement de la masse rocheuse et une autre générée par l'impact de la masse sur la pente, dont l'aspect fréquentiel a été confirmé par une analyse numérique 2D par la méthode des éléments finis.

Une description précise des transferts de chaleurs est indispensable dans la simulation et l'optimisation de procédés, la qualité des pièces thermoplastiques semi-cristallines étant fortement liée à l'histoire thermique pendant la mise en forme. Cela requiert de connaître précisément les propriétés thermophysiques du polymère pour obtenir des résultats fiables. L'objectif de ce travail est de développer des dispositifs expérimentaux associés à des méthodes d'identifications afin de mesurer les propriétés thermiques et la cinétique de cristallisation du polymère dans les conditions de mise en œuvre. Une première étude expérimentale a permis de mettre au point un protocole de mesure et d'identification des propriétés thermiques ainsi que la cinétique de cristallisation de polypropylène par méthodes inverses sous faible pression et à faible vitesse de refroidissement. En parallèle, un nouvel appareil PvT fonctionnant jusqu'à 400°C et 200 MPa a été conçu et validé expérimentalement. La conductivité thermique et la cinétique de cristallisation ont été mesurées sous forte vitesse de refroidissement et sous forte pression. Un capteur de luminance combinant une fibre optique et un photodétecteur a été installé sur un banc expérimental du laboratoire pour mesurer la température de surface d'un polypropylène et ainsi identifier sa cinétique de cristallisation en refroidissement très rapide. Le capteur a ainsi été calibré et validées expérimentalement. La dernière partie traite du procédé d'injection thermoplastique en présentant une méthodologie d'identification de la cinétique de cristallisation à partir de la mesure de pression.

Ce travail de doctorat porte sur l'utilisation des mathématiques analytiques dans le cadre de méthodes inverses appliquées à l'industrie. Ces travaux tiennent au développement de capteurs inverses en temps réel adaptés au laminage industriel. Le producteur d'acier ArcelorMittal dirige un projet européen, qui vise à montrer la faisabilité de capteurs mesurant les champs (température, contraintes) dans le contact entre le produit et l'outil sans altérer les conditions de ce contact. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du laboratoire Navier et financé par l'école des Ponts ParisTech. Cependant un contrat sur trois ans signé avec ArcelorMittal a permis à l'auteur d'être partie prenante de ce projet européen, et ainsi de voir ses recherches concrétisées par une demande industrielle réelle. L'enjeu de cette thèse est double, académique et industriel. Académique en ce sens que les travaux cherchent à recenser et utiliser efficacement les méthodes de résolution analytiques existantes, pour des problèmes inverses en thermoélasticité, dans le cadre d'une métrologie en temps réel. En effet, les solutions analytiques sont souvent exploitées comme des cas purement théoriques, trouvant à bien des égards un certain succès dans la culture de l'ingénieur (comme c'est le cas par exemple du calcul en élasticité linéaire des facteurs d'intensité de contraintes), mais qui par bien des aspects sont reléguées à des cas d'écoles anciens servant au mieux à valider des codes de calculs numériques sur des exemples particulièrement simples. Ces solutions et méthodes de résolution analytiques ne font d'ailleurs guère plus l'objet de recherches en mathématiques pures. Cependant les problématiques propres, liées au caractère inverse des problèmes à traiter, pénalisent les méthodes de résolution numériques, en ce sens que les problèmes inverses sont mal posés, et qu'une stabilisation des algorithmes numériques est nécessaire mais souvent délicate si l'on considère les conditions extrêmes (champs très singuliers) appliquées aux outils industriels de laminage. Par ailleurs la métrologie en temps réel exclut l'utilisation de codes numériques trop coûteux en temps de calcul (méthodes itératives etc...). Ces deux aspects contribuent à renouveler assez largement l'intérêt pour les solutions analytiques. Il convient alors d'en regrouper (dans la mesure du possible) les méthodes les plus efficaces (en termes de précision et de temps de calcul notamment) et les plus adaptées pour la métrologie. Nous verrons notamment différents développements en séries élémentaires permettant non seulement de donner à une suite de points mesurés une forme analytique, mais également de simplifier les équations aux dérivées partielles à résoudre. D'autre part l'enjeu de cette thèse est également industriel, car ces travaux s'inscrivent dans une démarche de développement de capteurs adaptés à la mise en forme de l'acier par laminage. Ainsi l'étude de la robustesse au bruit de mesure, les contraintes technologiques liées à l'insertion des capteurs, les limitations en terme de fréquence d'acquisition et les problématiques de calibrage sont au coeur des développements. Ainsi, l'ensemble des travaux présentés, peut constituer une sorte de réhabilitation des méthodes analytiques, dont la supériorité sur les méthodes numériques (en termes de temps de calcul et parfois aussi de précision) est mise en lumière, dans le contexte précis de la métrologie en temps réel sur des géométries simples. Trois méthodes inverses en deux dimensions, adaptées au laminage industriel, ont été menées à bien (élastique isotherme, thermique et couplage thermoélastique), ainsi qu'une série d'applications expérimentales réalisées sur le laminoir de laboratoire d'ArcelorMittal. Par ailleurs, des extensions en trois dimensions des méthodes inverses élastiques et thermiques sont également détaillées