Dans ce travail de thèse, une amélioration aussi bien à l’échelle globale qu’à l’échelle locale a été apportée sur la compréhension des mécanismes tribologiques aux interfaces outil-pièce-copeau durant l’usinage à sec de l’acier C45 avec des outils en carbure de tungstène revêtus en TIN. Dans une première partie expérimentale, des essais de frottement ont permis d’étudier la sensibilité des paramètres de frottement sur le comportement tribologique aux interfaces pion-pièce. Ainsi, l’évolution du coefficient de frottement, du flux de chaleur et du coefficient de partage de chaleur aux interfaces outil-pièce-copeau ont été identifiés pour le couple de matériau frottant et frotté. Pour mieux comprendre ces phénomènes, une étude métallographique a été effectuée sur des échantillons. Elle a notamment permis l’obtention des transformations métallurgiques au niveau de la surface superficielle de la pièce : des affinements des grains (déformation plastique) aux basses vitesses de frottement et des couches blanches (durcissement thermique) pour les grandes vitesses. Pour avoir plus de détails, un modèle numérique simulant l’essai de frottement a été développé en se basant sur l’approche Arbitraire Lagrangienne Eulérienne (A.L.E). Ce modèle nous a permis d’avoir plus d’informations sur les grandeurs locales de frottement (pression de contact, température de contact, vitesse locale de glissement, déformation plastique). Un modèle de frottement et un modèle de coefficient de partage de chaleur ont été identifiés à travers cette étude numérique. Dans la deuxième partie expérimentale, deux types d’essais d’usure ont été effectués dans des conditions similaires sur des pions et sur des plaquettes d’outils de coupe de même nuance. Des analyses microscopiques et au MEB couplés à une analyse EDS ont été faites afin de mieux analyser les mécanismes tribologiques durant les essais d’usure. Des similitudes de faciès d’usure ont été observées à différentes échelles d’analyse, sur les pions ainsi que sur les plaquettes d’outils de coupe. Ces similitudes ont permis d’aboutir à une corrélation des phénomènes tribologiques observés sur les pions et ceux observés sur les plaquettes. / In this work, improved both global and local levels has been made on understanding the tribological mechanisms at the chip-tool-workpiece interface in dry machining of a AISI 1045 steel with a TiN coated carbide tool. In the first part, several friction tests have been performed to study the sensitivity of friction parameters on the tribological behavior at pin-workpiece interface. Thus, evolutions of the apparent friction coefficient, of heat flux and of heat flux partition ratio have been identified. To better understand these phenomena, a metallographic study was performed on the samples of the workpiece.It has enabled the achievement of metallurgical transformations in terms of surface area of the room : the refinement of grains (plastic deformation) friction at low speeds and white layers (thermal curing)for high speeds. These results show that the initial state of the steel (ferritic-pearlitic microstructure) has been changed, In fact, two phenomena have been observed. The first phenomenon has been observed for low sliding velocities. In this range of the sliding velocities, the grains have been crushed because of the large plastic deformations. The second phenomenon has been observed by increasing the friction velocity. In fact, the white zones have been identified at the surface layer and which have presented a different structure compared to the initial state of the steel. A 3D A.L.E. numerical model, simulating the friction test, enables to extract local information from the contact area, especially the contact pressure, the contact temperature and the average local sliding velocity. An adhesive friction model and a heat partition coefficient model depending on average local sliding velocity have been identified. These friction models can be utilized in a FEM of the cutting process in order to improve the understanding of the material flow and temperature distribution around cutting tools. In the second part, pin wear in the friction tests and tool wear in machining tests have been performed. To compare the phenomena observed at the tool-chip interfaces during the wear tests in machining with the phenomena observed at the pin-workpiece during the wear tests of friction, similarities of faces have been observed at different scales of analysis on the pins and on the cutting tool inserts.

La gazéification de biomasse lignocellulosique en biogaz fait partie des technologies attractives permettant de s’affranchir des énergies fossiles et de valoriser les déchets agricoles ou forestiers. Néanmoins, le développement de cette technologie est freiné par son rendement énergétique faible et la production de polluants (CO2, NOx…). La pyrolyse/gazéification par voie solaire permettrait alors de pallier certains de ces inconvénients (énergie propre et gratuite, process à haute température produisant moins de polluants). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une approche expérimentale et numérique afin de maîtriser les procédés de pyrolyse/gazéification de copeaux de bois pour mieux appréhender le développement de la gazéification solaire. D’abord, un travail détaillé de caractérisation des copeaux de bois a été réalisé, alliant diverses analyses des échantillons mais aussi des analyses basées sur l’utilisation d’images tomographiques au rayon X pour déterminer les propriétés morphologiques et, par simulation numérique, les propriétés effectives de transport des copeaux de bois. Ensuite, des essais avec un four-réacteur à échelle laboratoire ont été réalisés pour étudier le séchage, la pyrolyse et la gazéification des copeaux de bois. Ces essais nous ont permis d’étudier l’influence de paramètres comme la température en séchage et en pyrolyse ou le débit de vapeur d’eau en gazéification. En parallèle, un modèle multi-physique pour la simulation de la pyrolyse a été développé. Cet outil a permis une étude détaillé des phénomènes mis en jeu et, in fine, permettrait d’optimiser le système. Enfin, le design d’un gazéifieur solaire a été réalisé. / Thermochemical conversion of lignocellulosic biomass belongs to attractive technologies which are viable routes to reduce reliance on fossil energy and to enhance carbon conversion efficiency. Nevertheless, classical gasification process via autothermal combustion of biomass presents severe drawbacks as bad yield and produced important pollutants. Solar concentrated energy enables high temperature reactions with reduced contaminating gas and higher yield. In this context, this thesis aims at developing experimental and numerical approaches to study detailed mechanism of pyrolysis and gasification processes of wood chips packed bed which are key step toward designing efficient solar gasifier. In a first time, inner properties of wood (initial composition and thermal decomposition) were studied via ultimate and proximate analyzes. Structural and morphological properties of wood chips were computed using image analysis. Effective mass and heat transport properties of the packed bed were assessed via direct numerical simulation combined with X-ray tomographic images. Then a laboratory scale device enabling to characterize pyrolysis and gasification kinetics and gas production was developed. The aim of this experimental work was to understand the impact of parameters such as drying and pyrolysis temperatures, and the steam flow rate during gasification. A multiphysical model of pyrolysis of wood chips packed bed was also developed. It allowed to perform detailed study of pyrolysis physics and in fine it will allow optimizing the pyrolysis/gasification process. Finally, a first design for a solar gasifier was reported and constitutes the basis of further studies.

Le présent travail a eu comme objectif d'étudier l'influence de la hauteur et de la largeur du coupe sur la qualité de surface des équarris d'épinette noire produits par une équarrisseuse-fragmenteuse. Des billes de trois classes de diamètre ont été équarries selon deux largeurs de coupe chacune. Cette expérience fut répétée l'été et l'hiver afin d'étudier l'effet de l'usinage de billes gelées et non gelées sur la qualité de surface du bois. Cette qualité fut analysée en fonction des paramètres standards de rugosité et d'ondulation et de la profondeur du fil arraché. Les profils de rugosité et d'ondulation ont été pris selon les directions longitudinale et transversale au fil du bois. Les résultats ont montré des effets significatifs de la hauteur de coupe, la largeur de coupe et la température des billes sur la qualité de surface des équarris. Plus précisément, une augmentation de la hauteur de coupe a provoqué une augmentation de la rugosité longitudinale et transversale ainsi que de l'ondulation transversale du bois. Par contre, l'ondulation longitudinale diminua avec l'augmentation de la hauteur de coupe. La largeur de coupe a affecté également l'ondulation et la rugosité transversales du bois ainsi que la profondeur du fil arraché. La surface était plus rugueuse, plus ondulée et le fil arraché plus profond lorsque la largeur de coupe était plus grande. L'effet de la saison fut aussi très significatif: la rugosité et l'ondulation ont été supérieures à l'hiver qu'à l'été. Les résultats ont aussi montré que la rugosité et l'ondulation augmentent à mesure que la coupe avance vers le gros bout de la bille, ce qui est provoqué par l'augmentation constante de la hauteur et largeur de coupe. Également, la qualité de surface fut meilleure au début de la course qu'à la fin de la course de chaque couteau, c'est-à-dire, les surfaces étaient plus lisses en haut qu'en bas de l'équarri. L'orientation de l'arête tranchante par rapport au fil du bois devient de plus en plus oblique près de sa sortie de la bille, ce que nuit à la qualité de la surface. Finalement, une corrélation positive fut obtenue entre la rugosité, l'ondulation et le fil arraché. Ainsi, l'optimisation de l'usinage de la machine peut se faire en visant d'améliorer un seul paramètre de qualité.

Le but du présent projet vise à déterminer les effets de l’angle d’attaque, de l’orientation de coupe et de la profondeur de coupe, sur les efforts de coupe et la qualité de surface pendant l’équarrissage du bois d’épinette noire. Pour ce faire, l’étude a comporté deux volets. Le premier volet visait à déterminer les efforts de coupe avec un dynamomètre triaxial (placé sur la table d’amenage d’une fraiseuse ayant un angle de couteau de 20° et une vitesse d’avance de 7.6 mm/s), lors des coupes faites avec 4 angles d’attaque (35°, 45°, 55° et 65°), 4 orientations (0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°) et 3 profondeurs (1, 2 et 3 mm). Le deuxième volet comportait la mesure de la qualité de la surface obtenue avec un profilomètre confocal muni d’un stylo optique ayant une profondeur de champ de 24 mm. Les critères d’évaluation furent le fil arraché, l’ondulation et la rugosité. Les résultats ont montré qu’au fur et à mesure que l’angle d’attaque augmente, les efforts de coupe, le fil arraché, l’ondulation et la qualité de surface diminuent. L’angle d’attaque de 65º a produit les efforts de coupe les plus faibles et les meilleures qualités de surface, indépendamment de l’orientation et de la profondeur de coupe. Les effets de la profondeur de coupe sur la variation des efforts de coupe et de la qualité de surface furent plus importants que ceux de l’orientation de coupe. Ainsi, au fur et à mesure que la profondeur diminue, les effets de l’orientation de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de surface se retrouvent amoindris. L’application de ces résultats au travail d’une équarrisseuse-fragmenteuse est analysée.

Les aciers inoxydables sont employés dans des secteurs d’activitéspour lesquels les caractéristiques mécaniques et la résistance à lacorrosion sont primordiaux. Les nuances austéno-ferritiques sansmolybdène (lean-duplex), ont une résistance à la corrosion et despropriétés mécaniques supérieures aux aciers inoxydables austénitiques.Cependant, leur usinabilité est inférieure à celle de leur homologueausténitique. Pour améliorer cette propriété des éléments peuvent êtreajoutés dans les nuances, tel que le niobium. L’objectif de cette étude estd’améliorer l’usinabilité des lean-duplex sans dégrader les autrespropriétés. Différentes teneurs en niobium ont été ajoutées dans un1.4362 pour comprendre comment cet élément affecte la microstructure,la résilience, et la résistance à la corrosion par piqûres. Ces résultatsvont permettre de définir une teneur en niobium optimale. Pour finir, desessais d’usinabilité et de résilience ont été effectués sur des couléesindustrielles de 1.4362 avec et sans niobium après divers traitementsthermiques pour comprendre l’influence d’un ajout de niobium sur cesdeux propriétés. / Stainless steels are used in some industries requiring mechanicalproperties and corrosion resistance. Lean duplex have higher corrosionresistance and mechanical properties than the austenitic stainless steels.However, their machinability is below that of the corresponding austeniticstainless steels. To improve it, some elements can be added in thegrade, like niobium. The aim of this study is to increase machinability oflean duplex grades without degrading their other properties. Differentcontents of niobium were tested in a 1.4362 to understand how thiselement affects the microstructure, the toughness and the pittingcorrosion resistance. With these results optimum niobium content isdefined. Turning and toughness experiments were done on industrial1.4362 grades with and without niobium and with different heatstreatments in order to understand how niobium can influence theseproperties.

La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d'oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l'œnologie. Cette technique n'est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l'oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d'oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d'éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l'augmentation de débit de gaz et l'augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d'oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l'apport d'oxygène et la simulation de la technique d'élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l'ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d'oxygène par diffusion.

Le perçage profond (Lu >= 5 x Øoutil) à l'aide de la technologie BTA (Boring Trepanning Association) intervient lorsqu'on souhaite fabriquer des pièces avec un bon rendement productif associé à une bonne qualité d'usinage. Les industries mécaniques évoluent dans un contexte de concurrence perpétuelle, avec des exigences technico-économiques toujours plus importantes. Cette étude résulte donc de la volonté de plusieurs acteurs industriels (AREVA et CIRTES) et universitaire (LEMTA, Université de Lorraine), de faire progresser la compréhension des mécanismes d'usinage qui régissent ce procédé. Une analyse bibliographique approfondie a révélé que cette technologie propose un champ d'investigation très vaste et relativement peu exploré car difficile à appréhender et à étudier. Le but de ce travail est d'analyser et de modéliser les phénomènes ayant lieu au cours d'une opération de perçage profond. Une analyse de la morphologie des copeaux a permis d'introduire un nouveau paramètre permettant d'évaluer les contraintes mécaniques subies par le matériau usiné. L'approche proposée permet quant elle de définir le torseur des contraintes mécaniques en intégrant la géométrie effective de coupe, et ce pour toutes les surfaces de coupe actives d'une tête de forage BTA. Les principes des modélisations utilisées permettent une application relativement aisée à de nombreux matériaux et à partir de l'identification d'un minimum de paramètres. Des moyens expérimentaux originaux ont permis d'identifier des paramètres ainsi que d'ajuster et d'étudier la validité des modélisations. Les limitations de la loi de comportement utilisée ont été mises en évidences, et des perspectives d'études complémentaires ont donc été proposées.Néanmoins, l'ensemble des résultats issus de cette étude ouvrent, modestement, des perspectives intéressantes, notamment dans le domaine d'aide aux choix des paramètres de coupe optimaux, et pour l'aide à la compréhension des phénomènes physiques de la coupe / Deep drilling (Drilling distance >= 5 x Øtool) with BTA system (Boring Trepanning Association) occurs when you produce parts with good productive performance combined with good machining quality. Mechanical industries operate in a context of constant competition, with ever greater technical and economic requirements. This study illustrates the desire of many industrial players (AREVA and CIRTES) and university (LEMTA, Université de Lorraine), to advance in the understanding of machining mechanisms that govern this process. A literature review revealed that this technology offers a vast and relatively unexplored field of investigation and study. The aim of this study is to analyze and modelling the phenomena which occurring in a deep drilling operation. An analysis of the morphology of the chips has introduced a new parameter for assessing the mechanical stresses suffered by the material being machined . The proposed approach allows to define the mechanical stress torsor by integrating the real cutting geometry, for all cut surfaces of active drilling head BTA. The principles of modeling used allow a relatively easy application to many materials and from the identification of a minimum parameters. Original experimental methods have allowed the identification of parameters and adjust and examine the validity of modeling. The limitations of the law of behavior have been used in evidence, and the prospects for further studies have been proposed. Nevertheless, all the results of this study open, modestly, interesting perspectives, especially in the field of helping for the choice of optimum cutting parameters, and help in the understanding of the physical phenomena of the cut

La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d’oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l’œnologie. Cette technique n’est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l’oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d’oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d’éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l’augmentation de débit de gaz et l’augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d’oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l’apport d’oxygène et la simulation de la technique d’élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l’ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d’oxygène par diffusion. / Micro-oxygenation of the wines, by the dispersion of oxygen bubbles, is a practice increasingly used in oenology. This technique is not always suitably controlled for lack of scientific knowledge on the parameters governing the transfer of oxygen. Research was focused on the study of transfer coefficients in function of wine components (CO2, ethanol, sucrose, consuming oxygen) and of operating conditions (type of diffuser, temperature, relationship between height and diameter of the container of liquid). The results show that during micro-oxygenation, the dissolved carbon dioxide and the sucrose have a negative incidence on the transfer whereas the presence of ethanol improves the transfer. As operating conditions are concerned, the increase in gas output and the increase in micro-oxygenation tank height/diameter ratio positively influence oxygen transfer. For wines, the specific surface of the bubbles and the mass transfer coefficient could be dissociated. The surfactant nature of wine components seems to be the most important factor in mass transfer. The knowledge so acquired was applied to micro-oxygenation during two stages of wine making: alcoholic fermentation with the oxygen yield control and the simulation of ageing technique in barrels coupled with the wood chips addition. A new approach relates to the study of a membrane contactor application allowing the oxygen transfer by diffusion.