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.

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.

Les composants aéronautiques sont soumis en service à des sollicitations mécaniques donnant lieu à des états de contraintes multiaxiaux et à amplitude variable provocant un phénomène d'endommagement par fatigue. Une alternative à la réparation de ces structures consiste à les renforcer préventivement, avant que la fissure ne soit apparue. Le contexte de ce travail s'inscrit donc dans le cadre du renforcement préventif de structures par patchs composites afin de retarder l'apparition de fissures. Des essais de fatigue sur éprouvettes en aluminium 2024-T3 renforcées sont menés pour observer et quantifier l'aspect bénéfique du renforcement en termes de durée de vie. Une méthodologie de dimensionnement en fatigue sous sollicitations de service est également proposée. Parallèlement, la mesure d'échauffement par caméra infrarouge est utilisée pour aider à comprendre le processus d'endommagement et de cumul de dommage propres à cet alliage.

es instabilités mécaniques associées à l'effet Portevin Le Chatelier (PLC) se manifestent par des hétérogénéités macroscopiques sous forme de bandes de localisation de la déformation plastique. Ce phénomène affecte les propriétés mécaniques du matériau et réduit la qualité du produit lors de la fabrication par mise en forme.<br />Nous avons étudié le comportement instable de la déformation plastique dans une série d'alliages d'Aluminium Magnésium dilués industriels largement utilisés pour la fabrication de pièces mécaniques par emboutissage. <br />Pour la caractérisation des instabilités PLC dans ces matériaux, les essais mécaniques ont été réalisés en traction uniaxiale à vitesse de déformation imposée. Les conditions d'apparition et de propagation des bandes de localisation de la déformation plastique liées au phénomène PLC ont été étudiées dans une large gamme de vitesses de déformation à température ambiante. L'influence de la teneur en élément d'alliage (Mg) sur les caractéristiques des instabilités est clairement établie. Nos résultats confirment l'existence d'une sensibilité négative de la contrainte d'écoulement par rapport à la vitesse de déformation dans l'ensemble du domaine de l'effet PLC. Nous montrons que le mode de propagation des bandes PLC dépend non seulement de la vitesse de déformation imposée mais aussi du taux d'écrouissage du matériau.<br />Parallèlement au dispositif d'essai de traction classique nous avons enregistré les variations des champs de déplacement et de température en surface de l'éprouvette au cours de la déformation plastique. L'analyse par corrélation d'images de ces données a permit de mettre en évidence les différents modes de génération et de propagation des bandes A, B et C caractéristiques de l'effet PLC. Les paramètres physiques relatifs aux bandes PLC tels que largeur, vitesse de propagation et de déformation à l'intérieur de la bande ont été quantifiés. Nos investigations montrent, grâce à l'analyse des enregistrements par thermographie infrarouge, que l'instabilité PLC est associée à un saut de température propre à chaque type de bande en même temps qu'une décharge élastique ressentie par l'ensemble de l'éprouvette.<br />En rapport avec le développement actuel dans le domaine de la modélisation du comportement mécanique des matériaux, l'analyse de la déformation plastique instable donne accès à des paramètres indispensables pour la mise au point de simulations par éléments finis réalistes.

Thèse de doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Cette étude présente une analyse mécanique et énergétique de la fatigue des matériaux métalliques à grand et très grand nombre de cycles. Des bilans d'énergie en fatigue sont réalisés à partir de techniques d'imagerie quantitatives. Les sources de chaleur sont déterminées à partir des champs de température mesurés par caméra infrarouge. Les champs cinématiques sont obtenus en utilisant une technique de corrélation d'image numérique et permettent d'estimer l'énergie de déformation mise en jeu. Un premier objectif est d'analyser la pertinence énergétique des concepts de limite de fatigue et d'état cyclique stabilisé. Un deuxième objectif est de comparer les champs de dissipation à l'échelle mésoscopique aux distributions de bandes de glissement. Enfin, la comparaison d'essais de fatigue conventionnelle (30-50 Hz) et ultrasonique (20 kHz) permet d'analyser les effets de la fréquence sur le comportement dissipatif du matériau. / This work presents a mechanical and energy analysis of metallic materials during high and very high cycle fatigue tests. Energy balances are derived from quantitative imaging techniques. Heat sources are estimated from temperature fields measured by an infrared camera. Kinematic fields are obtained by using digital image correlation techniques and used to compute the deformation energy. A first aim is to analyse the energy relevance of the concepts of fatigue limit and stabilzed cyclic behavior. A second aim is to compare dissipation fields at mesoscale with the microstrural distribution of slip bands. Finally, conventional (30-50 Hz) and ultrasonic (20kHz) fatigue tests are used to analyse the frequency effect on the dissipative behavior of the material.

Ce travail de recherche porte sur la caractérisation de l'endommagement des matériaux composites carbone/époxyde stratifiés unidirectionnels. L'une des difficultés associée à son utilisation et qui limite encore son développement tient en particulier à la variabilité inhérente à son comportement, liée notamment à la présence de défauts induits en service. Ce travail de recherche propose une étude de l'endommagement par le biais d'un couplage de deux méthodes de suivi non destructives : l'émission acoustique (EA) et la thermographie infrarouge (TI). L'enjeu est d'analyser les corrélations spatiales et temporelles des événements acoustiques et thermiques mesurés lors de la sollicitation du matériau. A cette fin, la caractérisation par EA, et en particulier l'identification des mécanismes d'endommagement, est réalisée par le biais d'algorithmes de reconnaissance de forme non supervisés et de descripteurs acoustiques. Quant à la TI, les champs de température obtenus sont utilisés pour déterminer les champs de sources de chaleur qui mettent en évidence le comportement thermomécanique du matériau. Cette démarche s'appuie sur des arguments thermodynamiques et l'équation de la chaleur, un traitement du signal au vu du caractère bruité et discret de ces mesures ainsi qu'une modélisation micromécanique pour rendre compte de la conductivité thermique anisotrope du composite. Une première campagne expérimentale permet de caractériser le matériau par le biais de techniques classiques (essais de traction) et ultrasonores en immersion. L'endommagement généré et les corrélations entre les événements acoustiques et thermiques sont ensuite étudiés lors d'une seconde campagne expérimentale sous sollicitations quasi-statiques de traction puis sous sollicitations cycliques de fatigue uniaxiale. Ces études confirment la concordance des manifestations acoustiques et des dissipations thermiques pour un certain nombre de mécanismes d'endommagement.

L'évaluation et le contrôle non destructifs (E.C.N.D.) des matériaux et des structures sont une problématique industrielle très importante dans les domaines du transport, de l'aéronautique et du spatial, et dans le milieu médical. La thermographie infrarouge active est une technique d'E.C.N.D qui consiste à apporter une excitation extérieure afin d'entraîner une élévation de température dans le matériau, puis à évaluer le champ de température résultant à la surface. Cependant, les excitateurs thermiques utilisés (lampes flash, halogènes, lasers) agissent uniquement sur la surface du matériau. Plusieurs systèmes de conversion d'énergie peuvent en revanche mener à l'apparition de sources volumiques : on peut citer en particulier les phénomènes de thermo-acoustique, de thermo-induction, de thermomécanique ou de thermochimie. Par exemple, une excitation par ondes ultrasonores peut entraîner des sources thermiques volumiques si le matériau est viscoélastique ou s'il y a présence de défaut. La reconstruction de ces sources est donc la première étape permettant de remonter aux paramètres responsables de l'échauffement. Caractériser une source thermique consiste à reconstruire sa géométrie et la puissance qu'elle génère. Cependant, l'identification de sources thermiques volumiques par la mesure des champs de température de surface est un problème mathématiquement mal posé. Le caractère diffusif de la température en est le principal responsable. Dans ce travail, la reconstruction 3D des sources volumiques à partir du champ de température résultant à la surface, mesuré par InfraRouge, est étudié. Tout d'abord, une analyse du problème physique permet de spécifier les limites de la reconstruction. En particulier, un critère sur la résolution spatiale atteignable est défini et une limitation de reconstruction pour les sources en profondeur est mise en lumière. Ensuite, une méthode de reconstruction par approche probabiliste est proposée et comparée aux méthodes d'inversions existantes. Le temps d'exécution et la sensibilité au bruit de mesure sont étudiés pour chacune de ces méthodes. Des applications numériques et expérimentales seront enfin présentées pour illustrer les résultats. / Non Destructive Testing (N.D.T.) of materials and structures is a very important industrial issue in the fields of transport, aeronautics and space and in the medical domain. Active infrared thermography is a N.D.T. method that consists in providing an external excitation to cause an elevation of temperature field in the material and then to evaluate the resulting temperature field at the surface. However, thermal exciters used (flash lamps, halogen, lasers) act only on the surface of the sample. Several energy conversion systems can on the other hand lead to the generation of volumetric sources: the phenomena of thermo-acoustic, thermo-induction, thermomechanic or thermochemistry can be cited. For example, ultrasonic waves can generate volumetric heat sources if the material is viscoelastic or if there is a defect. The reconstruction of these sources is the first step for the quantification of parameters responsible of the heating. Characterizing a heat source means reconstructing its geometry and the power it generates. For example, a defect in a structure and / or the viscoelasticity of a material can be detected and quantified by this technique if it acts directly on temperature field. However, identification of volumetric heat sources from surface temperature fields is a mathematical ill-posed problem. The diffusive nature of the temperature is the main cause. In this work, the 3D reconstruction of the volumetric heat sources from the resulting surface temperature field, measured by InfraRed, is studied. First, an analysis of the physical problem enables to specify the limits of the reconstruction. In particular, a criterion on achievable spatial resolution is defined and a reconstruction limitation for in-depth sources is highlighted. Then, a probabilistic approach for the reconstruction is proposed and compared to existing inverse methods. The computation time and noise sensitivity are studied for each of these methods. Numerical and experimental applications will thus be presented to illustrate the results.

Cette recherche explore l'utilisation de la thermographie infrarouge passive (IRT) pour la détection du délaminage dans les infrastructures civiles et l'intégration des données obtenues à partir de l'inspection visuelle et de l'IRT avec des technologies informatiques avancées pour faciliter la détection, l'interprétation et l'évaluation des dommages et augmenter la visualisation, l'accessibilité, l'interopérabilité et la réutilisabilité des résultats de l'inspection. La motivation de cette recherche découle des incertitudes actuelles entourant l'inspection des grandes infrastructures à l'aide de l'IRT passive. Les chercheurs, les entreprises d'inspection et les décideurs exécutifs sur le marché de la durabilité et de la gestion du cycle de vie des infrastructures sont confrontés à des incertitudes théoriques et pratiques dans l'élaboration d'une stratégie globale pour inspecter plusieurs composants des grandes infrastructures en béton, ainsi que dans la gestion des données qui en résultent. Il existe un désir de mieux comprendre l'utilisation de techniques avancées de contrôle non destructif (CND) et d'outils informatiques et d'explorer les avantages de la collaboration entre les industries pour la gestion du cycle de vie des structures civiles. Dans ce contexte, le problème de recherche implique la nécessité d'approches innovantes et normalisées pour améliorer la planification, la collecte, l'analyse, la numérisation et l'interopérabilité des données d'inspection par IRT passive pour les infrastructures civiles. L'objectif principal de la recherche était d'explorer l'utilisation de l'IRT passive comme méthode de détection des délaminages dans divers composants en béton des infrastructures civiles, en tenant compte des différents scénarios d'exposition solaire. De plus, l'étude visait à intégrer les données provenant des inspections par IRT passive avec des technologies informatiques avancées telles que la modélisation par éléments finis (MEF), l'IA et la modélisation des informations du bâtiment (BIM), pour améliorer la planification, le diagnostic, la visualisation, l'interprétation et l'interopérabilité des données d'inspection. Les objectifs spécifiques comprenaient l'évaluation de la faisabilité, de la sensibilité et des exigences minimales pour utiliser l'IRT passive pour détecter les délaminages, l'élaboration d'une procédure de planification d'enquête, l'amélioration des techniques de contraste thermique, l'utilisation de l'IA pour détecter semi-automatiquement les délaminages, et l'intégration des résultats de l'IRT avec BIM. La méthodologie impliquait des domaines de recherche interdisciplinaires et complexes, comprenant l'inspection du béton, la thermographie infrarouge, la simulation numérique, le traitement d'images, la photogrammétrie, l'intelligence artificielle, et la modélisation des informations du bâtiment. En outre, l'étude englobait la révision des normes existantes et des rapports de recherche, la construction d'échantillons de béton représentatifs pour preuve de concept et la validation de l'étude numérique, et plusieurs études de cas comprenant l'acquisition de données sur le terrain avec plusieurs dispositifs (drones, voitures et caméras portatives munies de capteurs visibles et infrarouges). Les campagnes de collecte de données ont commencé en avril 2021 et se sont terminées en juillet 2023, étant menées sur des sites expérimentaux et publics afin d'informer et de soutenir le projet de recherche. Les résultats du travail comprenaient : (i) une évaluation approfondie de l'efficacité de l'IRT pour inspecter les infrastructures en béton, y compris une preuve de concept détaillée et un protocole recommandé pour la collecte de données, (ii) la création d'un modèle numérique non linéaire vérifié et validé pour simuler des inspections par IRT passive, qui peut être utilisé pour déterminer les exigences minimales pour inspecter les délaminages dans les structures en béton extérieures en utilisant l'IRT passive, (iii) le développement d'approches et d'outils de détection de dommages multimodaux semi-automatisés adaptés au traitement de grands ensembles de données générés à partir d'inspections effectuées dans et au-delà du spectre visible, et (iv) le développement d'un modèle d'information numérique et collaboratif contenant des données d'inspection complètes et bien structurées, présentées dans un format standard et ouvert pouvant être partagé avec d'autres inspecteurs, ingénieurs, gestionnaires, chercheurs et utilisateurs à diverses fins. En améliorant la compréhension de l'utilisation potentielle de tests non destructifs avancés, c'est-à-dire l'IRT passive, aux côtés de technologies informatiques et d'information, ce projet fait progresser les pratiques de maintenance des infrastructures. Non seulement ces conclusions peuvent optimiser la durabilité des infrastructures, mais elles peuvent également faciliter l'évolution des pratiques traditionnelles de CND pour répondre aux exigences de l'Industrie 4.0, notamment la durabilité, la numérisation, l'interopérabilité et la transparence de l'information. / This research work explores the use of passive infrared thermography (IRT) for the detection of delamination in civil infrastructures. It aims to facilitate the detection, interpretation, and evaluation of damages and integrate the data obtained from visual and IRT inspection with advanced computational technologies to increase visualization, accessibility, interoperability, and reusability of the inspection results. The motivation for this research arises from the current uncertainties surrounding the inspection of large infrastructures using passive IRT. Researchers, inspection companies, and stakeholders in the infrastructure durability and life cycle management sector are faced with both theoretical and practical uncertainties in developing a comprehensive strategy for inspecting multiple components of large concrete infrastructures using passive IRT, as well as managing the resulting inspection data. There is a demand to better understand the use of advanced non-destructive testing (NDT) techniques and computational tools and explore the benefits of collaboration between industries for the life-cycle management of civil structures. In this context, the research problem entails the need for innovative and standardized approaches to enhance the planning, collection, analysis, digitalization, and interoperability of passive IRT inspection data for civil infrastructures. The main objective of the research was to explore the utilization of passive IRT as a method of detecting delamination in various concrete components of civil infrastructures, while accounting for different scenarios of solar exposure. Additionally, the study aimed to integrate data from passive IRT inspections with advanced computational technologies such as numerical simulation, artificial intelligence (AI), and Building Information Modeling (BIM), to improve planning, diagnosis, visualization, interpretation, and interoperability for inspection data. Specific objectives included assessing the feasibility, sensibility, and minimum requirements for utilizing passive IRT to detect delamination, devising a survey planning procedure, enhancing thermal contrast techniques, leveraging AI for semi-automated delamination detection, and integrating IRT planning and results with BIM. The methodology involved interdisciplinary and complex research domains, including concrete inspection, infrared thermography, numerical simulation, image processing, photogrammetry, artificial intelligence, and information modeling. Moreover, the study encompassed the review of existing standards and research works, the construction of concrete samples for proof of concept and validation of numerical studies, and the conduction of multiple case studies involving field data acquisition using various devices such as drones, vehicles, and handheld cameras equipped with visible and infrared sensors. The data collection campaigns started in April 2021 and were concluded in July 2023, being conducted at experimental and public sites to inform and support the research project. The findings of the work included: (i) a thorough evaluation of the capabilities of IRT for inspecting concrete infrastructure, including a detailed proof of concept and a recommended protocol for data collection, (ii) the creation of a verified and validated non-linear numerical model for simulating passive IRT inspections, which can be used to determine the minimum requirements for inspecting delamination in outdoor concrete structures using passive IRT, (iii) the development of semi-automated multimodal damage detection approaches and tools suitable for processing large datasets generated from passive IRT inspections of delamination in concrete structure, and (iv) the development of a digital and collaborative information model that contains comprehensive and well-structured inspection data, presented in a standard and open format that can be shared with other inspectors, engineers, managers, researchers, and users for various purposes. By enhancing the understanding of the potential use of advanced non-destructive testing, i.e., passive IRT, alongside computational and information technology, this project advances infrastructure maintenance practices. Not only can its findings optimize infrastructure durability, but they can also facilitate the evolution of traditional NDT practices to meet the demands of Industry 4.0, including sustainability, digitalization, interoperability, and information transparency.

Le coût croissant de l’énergie a fait de l’économie d’énergie une nécessité vitale dans le monde actuel. Un des exemples consiste à “maintenir la chaîne du froid”, c’est-à-dire le transport correct des aliments périssables dans les véhicules réfrigérés, en particulier pour les produits laitiers, la viande et les aliments congelés. Tout en conservant une conservation appropriée des denrées alimentaires, l’ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) est l’un des accords concernant les essais d’isolation thermique qui déterminent l’adéquation du transport. Le test standard ATP est une procédure pour mesurer l’état isolant des équipements avec une approche globale. Néanmoins, certains défauts locaux dans la structure de l’équipement ne peuvent pas être visualisés dans cette procédure. Dans ce contexte, la technique de thermographie pourrait être particulièrement utile à ces problèmes. Deux exemples de cette application sont présentés dans cette thèse, l’un d’eux se concentre sur la cartographie du flux de chaleur sur la surface externe d’un rouleau-conteneur isolé par la technique de thermographie infrarouge. La seconde tente d’établir une vue panoramique du flux de chaleur sur la surface interne d’un véhicule isolé. Encouragé par les résultats favorables précédents, une exploration de l’approche à froid dans la thermographie infrarouge pour les Tests Non-Destructifs et l’Évaluation est introduite et réalisée dans ce qui suit. Une approche se concentre sur la détection des défauts isolés et des ponts thermiques dans les panneaux de caisses de camions isolés par chauffage à lampe et refroidissement par air, deux moyens d’excitation opposés. L’autre examine un refroidissement à l’azote liquide appliqué à un échantillon d’acier avec des trous à fond plat de différentes profondeurs et tailles. Différentes méthodes de traitement des données et de modélisation et de simulation sont effectuées dans des chapitres connexes. / The increasing cost of energy has made energy saving a vital necessity in the current world. One of the examples involves, “Maintaining the cold chain”, which is the correct transport of perishable foodstuffs in refrigerated vehicles, especially for dairy products, meat and frozen foods. In this respect a suitable thermal insulation implemented in refrigerated vehicles is essential for saving energy while maintaining an appropriate conservation of the foodstuffs. ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) is one of the agreements concerning thermal insulation tests ensuing the suitability of the transport. The ATP standard test is a procedure to measure the insulating status of equipment with a global approach. Nonetheless, some local defects in the structure of equipment cannot be visualized in this procedure. The thermography technique could be particularly helpful for these issues. Two examples of this application are presented in this thesis, one focuses on mapping the heat flux on the external surface of an insulated rollcontainer by infrared thermography technique. The second one attempts to establish a panoramic view of the heat flux on the internal surface of an insulated vehicle. Encouraged by previous favorable results, an exploration of the cold approach in infrared thermography for Non-Destructive Testing & Evaluation is introduced and performed herein. One approach focuses on the detection of insulated flaws and thermal bridges in insulated truck box panels by lamp heating and air cooling, two opposite means of excitation. The other approach investigates the application of liquid nitrogen cooling to a steel specimen with flat-bottom holes of different depths and sizes. Different data processing methods and modeling and simulation are also carried out.