Th. 3e cycle--Optique et trait. du signal--Besançon, 1983. N°: 410.

L'évolution des caractéristiques des particules en suspension au cours de leur transfert au sein des bassins versants est encore mal connue. Ceci limite actuellement notre aptitude à prédire correctement l'érosion ou les flux de matières en suspension (MES) et rend difficile la proposition de pratiques de gestion adaptées aux réglementations en vigueur. A partir d'expériences en milieu contrôlé, nous avons montré que les particules de sols ont tendance à se désagréger en milieu turbulent. Il semble de plus qu'une augmentation de la concentration en suspension accélère cette désagrégation et conduise à des particules plus fines. Même si l'évolution des particules à l'échelle horaire semble rester de second ordre derrière les caractéristiques des sols sources, il est indispensable de pouvoir vérifier si les particules en suspension se comportent de la même manière en conditions naturelles où des interactions complexes entre processus peuvent avoir lieu. Cependant l'absence de méthode de mesure permettant le suivi des propriétés de transport des sédiments en écoulements très concentrés (de 1 plusieurs centaines de grammes par litre) dans les bassins élémentaires limite notre capacité à hiérarchiser les processus à considérer pour modéliser le transfert sédimentaire ou améliorer la gestion opérationnelle des sédiments. Afin de répondre à ce besoin instrumental, nous avons développé un Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF). Cet instrument est conçu pour être incorporé dans les stations de suivi hydro-sédimentaire. La mesure est réalisée immédiatement après prélèvement d'un échantillon de la suspension à caractériser par une série de capteurs optiques qui suivent l'évolution de l'absorbance optique durant la sédimentation de l'échantillon. Nous proposons une méthode de traitement des données optiques donnant accès à la distribution des vitesses de chute de la suspension ainsi qu'à un indice de floculation qui renseigne sur la capacité des MES à floculer durant leur sédimentation. Les distributions de vitesses de chute mesurées sont validées sur une large gamme de matériaux et de régimes de sédimentation, afin de couvrir la variabilité des types de matériaux et des concentrations observées en milieu naturel. Pour des sédiments non cohésifs ou floculant peu durant leur sédimentation les mesures du SCAF s'ajustent sur celles issues des autres méthodes. Pour les suspensions qui floculent durant leur sédimentation, la plupart des méthodes de mesure classiques conduisent à des vitesses de chute non représentatives de la suspension. Nous avons montré que les variations des propriétés optiques des matières en suspension lors de leur floculation impactent nos mesures. La méthode proposée permet cependant de quantifier l'augmentation des vitesses de chute avec la floculation, et d'encadrer l'incertitude des mesures. Pour les mesures à forte concentration (>10 g/l), un front d'entravement peut se former durant la sédimentation, le SCAF mesurant alors précisément les vitesses de chute du front. La mesure des distributions des vitesses de chute et de la cohésion des particules en suspension peut permettre d'identifier différentes populations de particules formant une suspension (grains de sables, flocs, matières fines...). Le suivi de telles informations au sein de bassins versants ouvre de nouvelles perspectives pour aborder la connectivité sédimentaire et s'orienter vers une gestion optimale des flux de MES. / Little is known about the processes that govern the evolution of suspended particle characteristics during their transport through a river basin. This is a main limitation for modelling erosion severity or suspended solids (SS) fluxes. It also leads to difficulties to propose management policies adapted to environmental legislation. Based on experiments in controlled environments, we have shown that soil particles tend to disaggregate in turbulent flows. The increase in SS concentration was associated to an increase of the disaggregation of SS particles, leading to smaller final particle sizes. Laboratory experiments also showed that the variability of the particle sizes due to their evolution over one hour was smaller than the variability due to the soil type from which the particles originated. However it is important to ensure that the suspended particles behave in the same way in natural conditions, where complex interactions between hydraulic, chemical and biological processes can influence their evolution. Up to now no measurement method allows measuring continuously the suspended sediment properties in highly concentrated fluids (from one to hundreds grams per liter), such as those observed in headwater catchments during runoff events. This severely limits the possibility to identify the processes that are important to consider in numerical models. The Aggregate and Floc Characterization System (SCAF) has been developed in order to measure SS properties for a wide range of SS concentrations. It was designed to be easily incorporated into sequential samplers. Immediately after the collection of a sample from the river, the sedimentation of the suspension is recorded by continuous measurements of the absorbance by a series of optical sensors. A method was proposed to processes the raw optical data in order to obtain the settling velocity distribution of the suspension. It also provides a flocculation index representing the tendency of the particles to flocculate during their sedimentation. The calculated settling velocity distributions were validated on a large range of materials and settling regimes in order to cover the natural variability of suspended sediments. For sediments that hardly flocculate during their sedimentation or are non-cohesive, the measurements of the SCAF were similar to those from other methods. In the case of suspensions that strongly flocculate during sedimentation, most of the classical methods give non-representative falling velocities. In this case, the optical property of the particles may vary during settling, affecting the optical measurement. The proposed method allowed quantifying the increase of settling velocity induced by flocculation, and provided confidence intervals for the settling velocities. For high SS concentrations ( > 10 g/l), a settling front can be formed during the sedimentation, which is well characterized by the SCAF. The measurement of the settling velocity distributions and of the flocculation index can be used to identify different particle populations (sand grains, flocs, individual particles) forming a suspension. Monitoring these properties in watersheds offers new insights to explore sediment connectivity within river basins and to optimize water management strategies.

L'optimisation de la forme des pales en fonction des phases de vol constitue un levier puissant dans ladémarche d'amélioration des performances des hélicoptères et de minimisation de leurs impactsenvironnementaux. Cette thèse propose l'étude et la caractérisation d'un concept permettant, grâce àl'utilisation d'un actionneur passif, de contrôler le vrillage d'une pale d'hélicoptère, en vol, en fonctionde la vitesse de rotation. L'actionneur retenu pour tordre une pale rigide est une plaque compositestratifiée munie d'un couplage traction/torsion et intégrée au sein de la pale. Les travaux développés ontpermis de démontrer la faisabilité de ce concept à l'échelle d'un prototype de partie courante de pale. Enpremier lieu, et ce afin de concevoir une architecture de profil adaptée à ce type de plaque, un modèleanalytique a été développé pour relier les caractéristiques des plaques composites à leur vrillage soussollicitations statique et dynamique. Une formulation simple de la réponse en vrillage a permisd'optimiser les séquencements de ces plaques dans l'objectif de maximiser le couplage en minimisant lesdéformations résiduelles liées au procédé de fabrication. Les plaques optimisées et fabriquées ontensuite été caractérisées sous traction quasi-statique uniforme puis sur un banc rotatif. Plusieurstechniques expérimentales ont été développées dans le but de quantifier le vrillage. Ce travail a conduità l'insertion d'une plaque épaisse dans un profil de pale. Sous un chargement statique, les tronçons ontexposé un vrillage de l'ordre de 2 °.m-1. Ces multiples expériences et les différentes simulationsréalisées permettent d'envisager des essais en soufflerie sur ces prototypes de pales. / Blade morphing optimization during a flight provides a powerful lever to improve helicoptersperformance and reduce their fossil based energy consumption. This PhD thesis examines a newconcept of passive blade twist controlled by the rotation speed. One of the most suitable actuator able totwist a stiff blade is an integrated laminate with extension/twist coupling. Developed work proves thefeasibility of this assembly at a laboratory scale. In a first stage, an analytical model was developed toestimate the twist behaviour of a laminate subjected to static and dynamic loads. This effectivecalculation of the twist response was used to optimize the stacking sequence in order to improve thecoupling and minimize residual stresses due to the manufacturing process. Some optimized plates havebeen manufactured and characterized using uniform tensile test and a rotative bench. Severalmeasurement methods have been developed to quantify twist. This study led to the integration of a thicklaminate in a blade airfoil profile. Under quasi-static axial loading, these blade sections have shownapproximately 2 °.m-1 in twist. Results from experiments and models make it possible to expect windtunnel tests on these adaptive twist blades.

Ce travail de thèse propose des méthodes d'holographie numérique couleur pour la mesure sans contact dans le domaine de l'acoustique, de la mécanique du solide et de la mécanique des fluides. Les méthodes développées pourraient répondre à diverses problématiques académiques et industrielles, notamment, la détection de défauts et de fissurations dans des structures composites, l'analyse des déformations et des vibrations dans leurs 3 composantes, le contrôle de surface et de forme ou l'analyse de fluides dans le cas d'écoulements turbulents à mach subsonique et à mach supersonique. Cette thèse est organisée autour de 5 chapitres qui résument les différents axes de travail. Dans un premier temps, nous avons rappelé quelques aspects théoriques de l'holographie numérique et complété la connaissance du processus de formation des images holographiques numériques en proposant une formulation analytique généralisée incluant les courbures des ondes de référence et de reconstruction numérique, ainsi que des phénomènes non linéaires à l'enregistrement. En particulier nous nous sommes intéressés à développer un modèle de formation des images tenant compte de la saturation des pixels du capteur. Nous avons démontré que, bien que le phénomène de saturation soit non linéaire, nous pouvons néanmoins écrire la relation objet-image avec une formulation analytique linéaire utilisant des produits de convolution. L'analyse théorique a été complétée par une étude expérimentale qui a permis de valider l'approche retenue. Le modèle général de reconstruction permet dans un second temps de définir des stratégies pour la reconstruction numérique d'objets étendus encodés dans des hologrammes couleur. L'algorithme doit avoir pour spécificité de conserver l'horizon reconstruit indépendamment de la longueur d'onde d'enregistrement. Dans ce contexte, ce travail nous a conduit à proposer un algorithme de transformée de Fresnel avec zéro-padding dépendant de la longueur d'onde, puis des algorithmes de convolution à balayage spectral et à grandissement variable qui sont basés sur le concept d'adaptation de bande passante spatiale. Par ailleurs, pour les problématiques rencontrées en mécanique des fluides, nous avons adapté une méthode de filtrage par transformée de Fourier à la reconstruction des objets de phase. Ces algorithmes ont été appliqués expérimentalement à des enregistrements monochromes, bi-couleurs et tri chromatiques montrant ainsi leur grande versatilité. Les deux dernières parties de la thèse traitent du développement de dispositifs holographiques numériques à deux et trois longueurs d'onde pour la métrologie sans contact. Le volet expérimental couvre les champs de la mécanique du solide, l'acoustique et la mécanique des fluides. Nous avons développé plusieurs architectures : architectures bi-couleur et tri-couleur à multiplexage spatial des hologrammes, architecture bi-couleur et tri-chromatique à codage par stack de photodiode, architecture tri chromatique à codage par triple capteur. Les deux dernières architectures s'avèrent les plus simples à mettre en oeuvre. Le banc expérimental bi-couleur à multiplexage spatial a été appliqué à des problématiques industrielles et académiques. La première concerne l'identification de causes de fissuration de capacité sur des composants PCB pour l'automobile. Nous avons mis en évidence une anisotropie de contrainte sur la capacité lors de l'encastrement du PCB dans son support, conduisant ainsi à la probable fissuration de l'élément. La seconde application constitue une première tentative de mise en évidence de modes tourbillonnaires dans des milieux granulaires non consolidés. Nous avons développé deux stratégies de détermination du mouvement 3D du milieu à partir de l'enregistrement d'hologrammes bi-couleurs multiplexés spatialement. Les résultats expérimentaux des modes planaires montrent des tourbillons à certaines fréquences d'excitation du milieu. Nos résultats expérimentaux montrent quelques contradictions dont les causes ont été identifiées. Afin de lever toute ambiguïté nous avons développé un banc d'holographie numérique pseudo-pulsée à 3 couleurs permettant la détermination exclusive de chacune des composantes du vecteur déplacement. Dans le cadre d'une collaboration avec l'ONERA (centre de Lille), nous avons développé une méthode d'holographie numérique tri-chromatique pour l'étude d'écoulements tourbillonnaires. La méthode proposée permet la détermination du champ d'indice ou de masse volumique dans un écoulement et, après validation, a été appliquée à plusieurs cas d'écoulements à mach subsonique et à mach supersonique. Les résultats expérimentaux obtenus sont une première démonstration des potentialités d'application de la méthode d'holographie numérique couleur dans le domaine de la mécanique des fluides.