Le contrôle d'écoulement a pour but, par exemple, d'économiser la consommation d'énergie en réduisant la traînée et/ou en augmentant la portance d'un corps en mouvement. C'est un défi important en aérodynamique lié aux enjeux techniques et économiques. Par rapport aux méthodes de contrôle existantes, notamment mécaniques, l'actionneur à plasma semble être une technique prometteuse grâce à l'absence de partie mobile, permettant par conséquent, une action rapide. Dans ce manuscrit, l'étude des actionneurs à plasma créé par une DBD surfacique est présentée en détail. Il s'agit de mesures électriques, optiques et aérodynamiques des actionneurs DBD en fonction de différents paramètres et géométries. L'effet de ce type d'actionneur sur un écoulement extérieur a été étudié dans quelques cas concrets. Enfin, d'autres actionneurs potentiels sont développés et étudiés.

L'énergie électrique est devenue tout ce qui a de plus banal mais elle reste potentiellement très dangereuse pour l'homme. Des dispositifs comme des disjoncteurs ou des interrupteurs différentiels (RCD) ont été développés pour assurer la sécurité des biens et des personnes.<br />Les travaux de cette thèse ont pour objectif la conception et l'optimisation d'actionneurs électromécaniques polarisés haute sensibilité que nous retrouvons dans les RCD. La démarche de conception se décompose en trois axes. Tout d'abord, l'utilisation de la méthodologie TRIZ qui permet de reformuler les différentes problématiques, de compléter le cahier des charges et de rechercher des pistes de solutions. Ensuite, les modélisations numériques et analytiques sont utilisées pour le dimensionnement et l'optimisation de la structure. Enfin la réalisation de prototypes nous permet de valider les résultats théoriques et le fonctionnement de l'actionneur.

La thèse porte de manière générale sur les polymères électrostrictifs qui peuvent être utilisés soit comme actionneurs électromécaniques souples, soit comme capteurs ou récupérateurs d'énergie. Le premier chapitre est une introduction générale aux systèmes couplés électromécaniques. Le choix des matériaux est exposé et porte sur les élastomères diélectriques et les polyuréthanes (PU) chargés par des nanoparticules conductrices de noir de carbone (CB). Le second chapitre porte sur la réalisation des films. Des particules de CB sous forme de micelles préformées et une technique " solution-cast " sont employées dans cette optique. Ce procédé permet une bonne dispersion des charges. Une amélioration de la déformation d'un facteur 1,6 est obtenue par introduction de particules de CB à 0.89 vol%. Le troisième chapitre présente la modélisation de phénomènes comme la saturation de la polarisation qui implique directement une saturation de la déformation. En modélisant la polarisation comme une fonction non-linéaire dépendant de deux variables (la permittivité bas niveau et un champ de saturation), on décrit ainsi correctement plusieurs phénomènes qui ne peuvent être interprétés par une approche linéaire et homogène. Les simulations effectuées montrent une bonne corrélation avec les expérimentations menées. Le quatrième chapitre propose une comparaison entre les films PU purs et chargés. Cette analyse porte non seulement sur des mesures mécaniques et électriques mais également en XRD ou en DSC afin de détecter le niveau de cristallisation. Une dispersion importante a ainsi été observée visuellement. Des déformations de l'ordre de 50 % ont ainsi été obtenues. Le cinquième chapitre porte sur l'effet lié à l'injection de charges électriques par bombardement électronique (HEBI), sur la déformation électrostrictive. Une telle approche permet ainsi un gain d'un facteur de l'ordre de 2 sur la déformation et semble réduire les pertes de façon très conséquente.

Cette thèse s'inscrit dans le développement d'un Dispositif Médical d'Injection (DMI) automatisé dans lequel est intégrée une micropompe en technologie silicium. Le cœur de cette micropompe est constitué d'une membrane actionnée permettant de déplacer un volume de liquide à travers des canaux micro-fluidiques. Deux types de membranes actionnées ont été étudiés : une membrane à actionnement bimétallique intégré et une membrane à actionnement piézoélectrique externe. Des simulations FEM ont permis d'affiner les modèles théoriques existants et de mieux rendre compte des effets non linéaires qui régissent le fonctionnement de ces membranes. Une méthode d'optimisation spécialement mise en place a permis de calculer des configurations géométriques optimales en fonction des plages de fonctionnement visées. Des membranes ont ensuite été fabriquées en salle blanche. Leurs caractéristiques mécaniques ont été mesurées et comparées aux prédictions des simulations FEM.

La réduction de la résistance à l'avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d'importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d'une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d'améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L'actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d'une combinaison de deux matériaux polymères souples. L'écoulement induit par l'actionneur plasma, appelé vent ionique, est d'abord étudié expérimentalement dans l'air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l'alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d'échelle). L'efficacité de l'actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l'écoulement que de l'amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu'à 1,7.106 (35 m/s).

Ce travail de thèse présente une nouvelle classe de microélectrodes de fibres de nanotubes de carbone (NT). Celles-ci sont réalisées par un filage en voie humide autorisant l'inclusion d'additifs au sein des fibres afin d'adapter leur formulation. Ainsi, le développement d'électrodes incluant la bilirubine oxydase (BOD) pour biopile enzymatique a permis d'obtenir un haut courant de réduction à l'aide d'un transfert d'électrons direct entre BOD et NT. Egalement, des actionneurs électromécaniques incluant une faible quantité de PVA réticulé sont proposés. De telles fibres génèrent une grande contrainte et présentent un temps de réponse court lorsqu'une faible tension leur est appliquée. La mobilité des NT les uns par rapport aux autres au sein de celles-ci a été réduite. Cette dernière est présente dans tout actionneur en NT et génère du fluage et une relaxation de contrainte de ces matériaux limitant ainsi leurs performances. Ces travaux ouvrent de nombreuses voies pour de nouvelles microtechnologies de conversion d'énergie, notamment appliquées au médical ou dans la micro-robotique.

Th.--Sci., autom.--Toulouse 3, 1977. N°: 747.

La réduction de la résistance à l’avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d’importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d’une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d’améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L’actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d’une combinaison de deux matériaux polymères souples. L’écoulement induit par l’actionneur plasma, appelé vent ionique, est d’abord étudié expérimentalement dans l’air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l’alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d’échelle). L’efficacité de l’actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l’écoulement que de l’amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu’à 1,7.106 (35 m/s). / Active flow control is a key issue to meet the environmental requirements for the next generations of aircrafts and cars. The aim of this work is to study subsonic airflows control by plasma actuators in order to improve aerodynamic performances (drag reduction and lift enhancement). The actuator consists in using a surface dielectric barrier discharge with a thin dielectric made by a combination of two polymer materials. The first part of this work is dedicated to the experimental study of the flow induced by the actuator in quiescent air according to the regime of the discharge. An empirical law is proposed in order to determine the velocity of the ionic wind as a function of the high voltage and the frequency of the actuator. From this law the main properties of the wall jet induced by the discharge are predicted. In the second part of the study the actuator is used for wind tunnel experiments for three configurations of increasing complexity: laminar boundary layer (flat plane), separated turbulent boundary layer (wing profile) and 3D separated boundary layer (Ahmed body with rear window tilted at 25°). Significant results are obtained for Reynolds numbers up to 1.7.106 (35 m/s).

Cette thèse s’inscrit dans le développement d’un Dispositif Médical d’Injection (DMI) automatisé dans lequel est intégrée une micropompe en technologie silicium. Le cœur de cette micropompe est constitué d’une membrane actionnée permettant de déplacer un volume de liquide à travers des canaux micro-fluidiques. Deux types de membranes actionnées ont été étudiés : une membrane à actionnement bimétallique intégré et une membrane à actionnement piézoélectrique externe. Des simulations FEM ont permis d’affiner les modèles théoriques existants et de mieux rendre compte des effets non linéaires qui régissent le fonctionnement de ces membranes. Une méthode d’optimisation spécialement mise en place a permis de calculer des configurations géométriques optimales en fonction des plages de fonctionnement visées. Des membranes ont ensuite été fabriquées en salle blanche. Leurs caractéristiques mécaniques ont été mesurées et comparées aux prédictions des simulations FEM. / This thesis fits into the development of an automated Injection Medical Device (IMD) in which is integrated a micropump in silicon technology. The heart of this micropump is constituted by an actuated membrane which moves a volume of liquid through microfluidic channels. Two types of actuated membranes were studied: a membrane with an integrated bimetallic actuator and a membrane with an external piezoelectric actuator. FEM simulations enabled the refinement of existing theoretical models and a better representation of nonlinear effects that govern the mechanics of such membranes. An optimization method specially putted in place enabled the computation of optimal geometric configurations according to the targeted functioning ranges. Some membranes were then fabricated in cleanroom. Their mechanical characteristics were measured and compared to predictions of FEM simulations.

Cette thèse traite de deux projets en rapport avec la microfluidique. Le premier est consacré à la réalisation d'actionneurs à base d'hydrogel thermosensible. Avec une approche technologique basée sur le greffage et la structuration d'un hydrogel thermosensible sur des surfaces en verre, nous montrons comment un matériau capable de subir de fortes variations de volume peut être utilisé comme actionneur microfluidique dans les milieux aqueux. D'abord, en tant que vanne, nous démontrons que la stratégie de greffage des structures permet d'obtenir des actionneurs robustes et durables capables de réguler la circulation de fluides en micro-canaux avec une réponse rapide en miniaturisant la stimulation thermique. Ensuite, une autre configuration, dite de compartimentation libre, est mise en oeuvre et appliquée en biologies moléculaire et cellulaire. Le second est quant à lui dédié à l'étude du glissement par nanovélocimétrie en utilisant la technique de microscopie de fluorescence par réflexion totale interne. Cette technique permet de suivre les écoulement de nanoparticules à proximité immédiate de la paroi d'un micro-canal (dans les premiers 800nm de fluide). En utilisant les modèles de Langevin, nous avons été en mesure de prendre en compte différents artéfacts expérimentaux et les corriger. Nous confirmons l'absence de glissement de l'eau pure sur surface hydrophile et l'existence du glissement sur surface hydrophobe. Cette partie est traitée sous la forme d'une brève introduction, suivie d'un article publié dans Journal of Fluid Mechanics. / In this work, we have addressed two projects related to microfluidics.The first one is dedicated to the integration of hydrogel-based actuators in microsystems. Thanks toa technological approach based on the grafting and patterning of a thermosensitive hydrogel on glasssubstrates, we show how a material that can undergo large volume changes can be embedded as anactuator for aqueous solutions. First as a valve, we prove that the strategy consisting in grafting patternsof hydrogel enables us to obtain robust actuators able to regulate flows in micro-channels, and with afast response by miniaturising the thermal stimulation. Then we report another configuration called freecompartmentalization, applied to molecular and cellular biology. The second part of this manuscript deals with the study of slippage by nanovelocimetry using the totalinternal reflection fluorescence microscopy technique. This method enables us to follow fluorescent nanoparticlesflowing near the wall of a microchannel (within the first 800nm ). Using Langevin simulations,we have been able to take several experimental biases into account and correct them. We can confirmthe no-slip condition of water on hydrophilic surfaces and the actual slippage over hydrophobic surfaces.This part is made of a brief introduction followed by an publication in Journal of Fluid Mechanics.