Cette thèse porte sur l'étude du remplissage rapide de réservoirs d'hydrogène sous haute pression (700 bars). Durant cette phase, se produisent simultanément une augmentation de la température du gaz et des contraintes internes dues à la pression. Un banc de fatigue thermomécanique instrumenté a été développé afin de simuler ce remplissage rapide sur des éprouvettes simples composées d'un liner en polyuréthane et d'une coque composite carbone/époxy, matériaux constitutifs des réservoirs étudiés. La validation thermique de ce banc a permis de montrer que le polyuréthane est une bonne barrière thermique. Une première étude sur un drapage composite non optimisé a permis de montrer l'influence néfaste de la température et d'un palier de maintien à la charge maximale sur le comportement du multicouche polymère/composite ainsi que l'effet bénéfique de l'alternance des plis du stratifié composite ; des couches épaisses conduisent à une apparition plus précoce de l'endommagement et à des durées de vie plus faibles. Un drapage ‘‘représentatif'' des conditions de service du réservoir a été optimisé par calcul analytique et par éléments finis afin d'atteindre les mêmes niveaux de contraintes maximales dans l'éprouvette sollicitée sur le banc de fatigue thermomécanique que ceux atteint dans le réservoir sous pression. Ces éprouvettes ‘‘représentatives'' conduisent néanmoins à des contraintes de cisaillement plus élevées que dans le réservoir et présentent des effets de bord qui n'existent pas dans le réservoir bobiné. Comme pour les drapages non optimisés, la fatigue thermomécanique conduit à des durées de vie plus faibles qu'en fatigue purement mécanique à 1Hz. L'observation par microscopie optique et par radiographie X des échantillons sollicités montre, en fatigue thermomécanique, une localisation des endommagements dans la partie la plus chauffée du composite alors qu'en fatigue mécanique à 1Hz, les endommagements sont répartis sur toute la longueur des éprouvettes. De plus, la fatigue thermomécanique conduit préférentiellement à des délaminages par rapport aux résultats obtenus en fatigue mécanique à 1Hz. Des mesures de champs de déplacement par corrélation d'images ont permis de mettre en évidence des concentrations de cisaillement sur le drapage ‘‘représentatif'' ainsi qu'un comportement viscoélastique, accentué en présence de cyclage thermique, qui seraient à l'origine des endommagements constatés.

La thermographie infrarouge constitue un outil de diagnostic très utile dans le domaine du bâtiment et du génie civil. Cependant un diagnostic quantitatif reste difficile, et l'émissivité des surfaces étudiées joue un rôle important. Le présent travail est une étude sur la mesure d'émissivité pour le diagnostic quantitatif des structures par thermographie. Un des enjeux est de compléter une base de données d'émissivité pour des matériaux du bâtiment et du génie civil ; pour cela il a été nécessaire de développer des appareils de mesure portables. Deux appareils ont été développés au CERTES, utilisant des méthodes indirectes. Ces méthodes consistent à mesurer la réflexion d'un flux infrarouge modulé et nécessite une référence de réflectance connue. Le premier appareil module le flux par modulation lente de température (mesure en 16mn) ; il est adapté aux surfaces diffusantes et hétérogènes comme les bétons bitumineux et les matériaux de construction du bâtiment. L'autre appareil utilise un système d'écran permettant une modulation plus rapide (mesure en quelques secondes). Il est plus polyvalent. Il est aussi plus facilement transportable et permet également d'obtenir une évaluation du caractère plus ou moins spéculaire de la surface. Ces deux appareils couvrent au choix une bande spectrale large (1 à 40µm) pour évaluer les propriétés radiatives des surfaces et une bande étroite (8 à 14µm) adaptée à la sensibilité des caméras infrarouges. Une étude comparative sur les mesures d'émissivité a été entreprise avec le LNE (Laboratoire National de Métrologie et d'Essais). Les échantillons utilisés pour cette étude comparative ont permis de tester les différents dispositifs pour des matériaux ayant des propriétés radiatives très variées. Des mesures ont été effectuées au laboratoire et sur site sur une large gamme de matériaux usuels du bâtiment et du génie civil

Cette étude présente une analyse thermomécanique du comportement en fatigue oligocyclique du polyamide 6.6 vierge et renforcé de fibres de verre courtes. Des bilans d'énergie sont réalisés en utilisant, de façon combinée, des techniques d'imagerie quantitative visible et infrarouge. Les champs de température sont obtenus par thermographie et les champs de déformation par corrélation d'images. Sur un cycle de chargement, on montre comment il est possible d'estimer séparément les sources de chaleurs moyennes par cycle, sources associées aux mécanismes dissipatifs et induites par les effets de couplage thermomécanique. On montre ensuite, pour différentes fréquences de chargement, l'évolution du bilan de puissance moyen par cycle sur une zone matérielle correspondant à la partie utile de l'éprouvette. Ce bilan prend en compte le taux de l'énergie de déformation, les chaleurs mises en jeu et les variations d'énergie interne. On observe que la forme du bilan de puissance est très fortement dépendante, pour un rapport de charge donné, à la fréquence de sollicitation, à la teneur en eau, à l'orientation des fibres de verre mais aussi aux niveaux de contrainte appliqués. / This study presents a thermomechanical analysis of fatigue behavior of pure and short glass- fiber reinforced polyamide 6.6. The energy balances are drew up using the combined application of visible and infrared quantitative imaging techniques. Temperature fields are obtained by thermography and strain fields by image correlation. Over one complete cycle, we show how it is possible to separately estimate the heat sources averaged over the cycle, associated with dissipative mechanisms and induced by thermomechanical coupling source effets. Then we show, for different loading rates, the time courses of the energy rate balance for a physical area corresponding to the gage part of the specimen. This balance takes into account the deformation energy rate, the heat sources and the internal energy variations. It is observed that the shape of the energy rate balance is highly dependent, for a given load ratio, to the load rate, the water content, the orientation of the glass fibers and the applied stress levels.

Les travaux présentés dans ce mémoire de HDR sont la synthèse de six années de recherche sur l'influence de la pesanteur lors des transferts de chaleur et de masse par ébullition et évaporation. Dans le premier chapitre de ce mémoire, je présente une synthèse de la littérature depuis 2003 sur mes activités de recherche. Je mets l'accent sur les techniques employées et les approches choisies pour comprendre les phénomènes physiques rencontrés que ce soit en évaporation ou en ébullition. A la fin de chaque section de ce chapitre, je fais le point sur notre positionnement par rapport à ces activités, je retrace le cheminement qui nous amenes à développer les méthodes inverses en conduction de la chaleur appliquées à l'ébullition convective, ou à développer l'imagerie infrarouge aux gouttes en évaporation. Dans le second chapitre de ce mémoire, je détaille les travaux effectués en présentant de manière synthétique les méthodes et outils ainsi que les résultats obtenus. Il ne s'agit pas dans ce chapitre de s'appesantir sur les détails techniques de construction des expériences qui ont déjà été publiés dans les articles en annexe. Dans le troisième chapitre de ce mémoire qui est divisé en deux sections distinctes, je présente dans un premier temps les projets acceptés qui vont démarrer dans les mois à venir. Dans un second temps, je présente des perspectives de recherche au travers de proposition de recherche qui déjà fait l'objet de demande de financement.

Les matériaux métalliques polycristallins sont des agrégats de grains plus ou moins favorablement orientés, par rapport à l'axe de sollicitation, pour le glissement plastique. Lors d'une sollicitation mécanique, cette diversité d'orientations cristallines conduit à une hétérogénéité de la déformation à l'échelle de la microstructure : des déformations plastiques locales peuvent apparaître dans certains grains alors que l'échantillon est macroscopiquement sous chargement élastique. Par ailleurs, cette plasticité locale s'accompagne de l'émergence de marques de glissement en surface du matériau et elle induit une dissipation d'énergie liée aux irréversibilités mécaniques. La description fidèle de ces phénomènes mécaniques et énergétiques, à l'échelle d'apparition de la plasticité et de l'endommagement, ouvre alors la perspective d'identifier des modèles mécaniquement admissibles et énergétiquement fondés.<br /><br />L'objectif de ces travaux est donc de développer les moyens expérimentaux nécessaires à la réalisation de telles analyses mécaniques et énergétiques à l'échelle microstructurale. Pour accéder simultanément aux informations cinématiques et thermiques à l'échelle la plus fine possible actuellement, celle des grains d'un polycristal, des mesures de champs de température par thermographie infrarouge et de champs de déformation par corrélation d'images numériques sont donc mises en œuvre au sein d'un dispositif original de couplage des deux techniques. Ce dispositif permet alors une étude simultanée des champs de température et de déformation d'un acier inoxydable austénitique 316L sous sollicitations uniaxiales monotones et cycliques.

Nos travaux portent sur la technique de refroidissement par multiperforation (film cooling) utilisée, par exemple, pour le refroidissement d'une paroi de chambre de combustion. Cette étude se décompose en deux parties : La première partie consiste en une étude expérimentale du film cooling dans les conditions de basses températures: 40°C pour l'écoulement principal et 20°C pour l'écoulement secondaire. Le taux de soufflage M est variable de 1 à 4. Le banc d'essais est composé d'une plaque comportant 81 orifices d'injection inclinés de 30°par rapport à la surface de la plaque. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence du taux de soufflage M et de l'ouverture des rangées d'injections sur la formation de la couche de refroidissement. Cette première étape a permis de déterminer une configuration de base. Cette configuration correspond au nombre de rangées minimal nécessaire à la formation de la couche de refroidissement. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'influence de deux paramètres géométriques sur le film cooling : l'espacement entre deux injections p/D=4, 8, 12 et l'espacement entre deux rangées ouvertes s/D=4, 8, 12. Les résultats obtenus ont montré que l'augmentation de l'espacement entre les injections entraîne d'une part, la diminution de l'efficacité adiabatique du refroidissement, d'autre-part la diminution des transferts de chaleur. Dans un dernier temps, l'objectif de nos travaux est l'optimisation du maintien de la couche de refroidissement. Pour cela, nous avons proposé l'ajout d'une zone d'injection supplémentaire à la suite de la configuration de base. Ainsi, nous avons trouvé que l'ouverture d'une seule rangée supplémentaire permettait d'améliorer l'efficacité du refroidissement quelle que soit la position de cette rangée par rapport à la zone d'injection de base. D'autre part, l'efficacité du film cooling s'améliore significativement à l'ouverture de trois rangées supplémentaires. Nous constatons un meilleur maintien de la couche de refroidissement par l'ajout de rangées adjacent à la configuration de base. La deuxième partie est consacrée aux études du refroidissement sur un banc d'essais quasi industriel, appelé banc Thalie. Ce banc d'essais permet de reproduire des conditions aérothermiques proches de celles rencontrées dans une chambre de combustion (température jusqu'à 1400K et pression jusqu'à 7.10 5 Pa). Cependant, ces conditions extrêmes n'autorisent pas l'application directe des techniques expérimentales développées à des conditions de températures et de pressions plus faibles. Aussi, l'objectif de cette partie expérimentale est de mener une étude de faisabilité sur une nouvelle technique de mesure. Pour cela, une technique de mesure en régime transitoire est proposée. Le principe de cette méthode est d'imposer un échelon de température sur l'écoulement primaire et de suivre l'évolution du champ de température de la paroi. Les coefficients d'échange entre la paroi et les écoulements sont identifiés en minimisant l'écart entre le champ de température mesuré par thermographie infrarouge et celui calculé par la résolution de l'équation de transfert de chaleur.

Cette étude porte sur deux types de problèmes inverses en thermique : l'estimation de propriétés thermophysiques de matériaux anisotropes et l'estimation de conditions limites. Dans un premier temps, la méthode flash 3D permet d'estimer la diffusivité thermique dans les trois directions principales d'un matériau anisotrope. Pour cela, un dispositif expérimental spécifique a été développé. Il s'appuie essentiellement sur un laser CO2 comme source de puissance thermique et sur la thermographie infrarouge comme instrument de mesure. En associant à l'expérimentation un modèle analytique des transferts thermiques dans l'échantillon, un estimateur permet d'obtenir les diffusivités thermiques recherchées. Au cours de ce travail, différents estimateurs ont été proposés et comparés à travers notamment leurs écarts types. Par ailleurs, il est proposé également une méthode de conception optimale d'expérience permettant de diminuer davantage ces écarts types. Dans un deuxième temps, on s'intéresse à l'estimation de conditions aux limites thermiques d'un système faisant intervenir les matériaux dont on connait les propriétés thermophysiques, à partir de mesures de température par thermocouples. La première application concerne la caractérisation les transferts thermiques instationnaires gaz-paroi pendant la phase de remplissage de bouteilles d'hydrogène haute pression. La seconde application porte sur l'estimation du flux de chaleur absorbé par des matériaux composites soumis à une flamme oxygène/acétylène. Ces travaux font appel à différentes méthodes d'optimisation, aussi bien des algorithmes classiques de type gradient, que des algorithmes stochastiques. Ces derniers se sont révélés particulièrement adaptés à la conception optimale d'expériences.

Une étude expérimentale aérodynamique et thermique de l'impact d'un jet rond unique sur une paroi plane a été menée. Un haut-parleur permet de moduler la vitesse du jet en sortie de buse. Des mesures de vitesse par PIV montrent que le forçage amplifie les structures tourbillonnaires dans la couche de mélange du jet. Selon le forçage, ces tourbillons peuvent être très stables ou donner lieu à des interactions régulières entre tourbillons. Des décompositions triples de vitesse montrent que les contributions moyennes, cohérentes et stochastiques de l'écoulement peuvent être adaptées en fonction de la fréquence et de l'amplitude du forçage acoustique. Les fluctuations de pression associées à ces tourbillons sur la plaque d'impact ont été mesurées et évaluées à l'aide d'un formalisme intégral pour la pression. Les transferts de chaleur moyens par convection entre le jet et la paroi d'impact révèlent deux principaux effets du forçage acoustique sur les variations radiales du nombre de Nusselt pour une petite distance d'impact. L'effet de l'impact du cône potentiel du jet sur la paroi disparaît lorsque le forçage acoustique conduit à une augmentation importante des niveaux de turbulence sur l'axe du jet. Le lobe secondaire de transferts de chaleur est déplacé et atténué par le forçage acoustique. Des mesures de températures pariétales fluctuantes mettent en évidence deux modes de propagation des fluctuations de température sur la plaque d'impact. Le premier est indépendant du forçage acoustique et correspond à une propagation filamentaire. Le second est lié à la convection des tourbillons sur la plaque d'impact et correspond à la propagation radiale de fronts chauds et froids.

L'amélioration des performances et des rendements de turboréacteurs passe par l'augmentation de la température des gaz de la chambre de combustion. Les éléments en aval de la chambre de combustion sont soumis à de fortes contraintes thermiques. Ainsi, les aubes de turbines basse pression possèdent plusieurs systèmes de refroidissement dont l'impact de jet. Les cas d'études de cette technique sont simpliés et contrastent avec les géométries complexes de l'application industrielle de l'impact de jets aux aubes de turbine. Nous nous sommes intéressés à une injection à travers une paroi ne et alimentée par un écoulement amont cisaillant, an d'être plus proche du cas réel. Notre étude comprend trois parties se basant sur ce type d'injection, pour lesquelles nous avons cherché à déterminer expérimentalement les coecients d'échange de chaleur convectif. La première partie comprend des mesures expérimentales de vitesse par PIV et de température par caméra infrarouge, pour une conguration de jet unique en impact sur une plaque plane. Cette partie est représentative de la zone intrados/extrados d'une aube de turbine. Dans un deuxième temps on s'intéresse à l'inuence de la courbure sur les échanges de chaleur d'une rangée de jets sur une paroi concave, représentant la situation au bord d'attaque. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés à une conguration plus complexe, un modèle simplié et agrandi d'une aube basse pression formé d'une partie courbe refroidie par neuf orices et de deux parties planes refroidies chacune par trois rangées de cinq trous. Les paramètres de l'étude sont notamment la distance d'impact et les nombres de Reynolds des jets et de l'écoulement cisaillant en amont de l'injection.

Au cours des dernières années, l'essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l'origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s'avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d'industrialisation à grande échelle. C'est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s'inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d'endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d'un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d'une méthodologie d'analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d'endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique.