Le corps humain (adulte) est composé de 206 os (“Anatomy and Physiology | Simple Book Production” n.d.) qui sont des tissus denses et composent la majeure partie du squelette humain. Le squelette, étant hautement vascularisé, est l’endroit le plus communément affecté par le cancer métastatique (Coleman 1997). L’apparition de ces métastases osseuses fragilise l’os et peut provoquer des fractures pathologiques. Toutefois la prédiction de telles fractures est difficile et loin d’être automatique. Une possibilité pour créer un outil de diagnostic plus performant serait les simulations éléments finis (FEA en anglais pour « Finite Elements Analysis »). Des études ont montré que la FEA spécifique au patient était capable de surpasser l’expertise des cliniciens dans le cas d’étude ex vivo avec défauts osseux induits mécaniquement (dont Derikx et al. 2012). Les recherches portant sur le cancer osseux sont toutefois dur à mettre en place, les échantillons étant rare. De manière à contourner la difficulté de trouver des échantillons humains rarement disponibles, la souris a été utilisé comme modèle squelettique dans plusieurs cas, incluant la tenue mécanique d’os atteint de métastases ex vivo (Mann et al. 2008). Ainsi, de manière à pouvoir étudier l’implication du tissu métastatique dans la résistance globale de l’os sur échantillons réels, nous avons utilisé ce modèle animal pour créer des échantillons tumoraux.Notre but était double : premièrement, quantifier l’apport de la prise en compte des propriétés mécaniques de la métastase dans la résistance globale de l’os. Deuxièmement, statuer sur le fait qu’un modèle plus simple que celui proposé dans la littérature (reposant sur des propriétés purement élastiques plutôt qu’élasto-plastiques (Eggermont et al. 2018) pouvait permettre d’améliorer la prédiction de fractures pathologiques.Tout d’abord, les résultats obtenus avec nos modèles hétérogènes (ne prenant pas en compte la tumeur) ont montré une bonne consistance avec la littérature, la corrélation entre tous les modèles hétérogènes (n=43 pattes) quant à la fracture simulée et expérimentale étant du même ordre de grandeur que celles d’une étude analogue menée sur vertèbres de souris (Nyman et al. 2015). Ensuite, le modèle prenant en compte les propriétés des tumeurs n’as pas permis d’améliorer la prédiction de fracture, au contraire, la moyenne des différences de ces modèles étant de 30±21% (n=11 pattes tumorales) contre 12±9% (n=43 pattes). De plus le modèle spécifique (prenant en compte le module des tumeurs) étant plus difficile à obtenir que le modèle hétérogène (ne nécessitant pas de segmentation entre os et tumeur), le premier ne semble pas être judicieux dans la prédiction de fracture d’os long présentant des lyses osseuses. Enfin, un critère de détection reposant sur la différence entre valeurs de forces ultimes globale et locale a permis de détecter la majorité des instabilités mécaniques constatées dans cette étude (sensibilité de 85% et spécificité de 100%). Un autre critère, basé sur le ratio entre poids des individus et la force ultime locale prédite via FEA a permis de correctement diagnostiquer l’ensemble des cas (100% de sensibilité et de spécificité). Ce résultat pourrait s’avérer être d’une grande aide quant à la prise de décision d’intervention chirurgicale dans le cas d’os long atteints de métastases osseuses. Bien sûr, avant cela la route à parcourir reste longue, ce résultat devant d’abord être confirmé cliniquement (possiblement en ayant recours à l’étude d’un cohorte rétrospective, comme cela a déjà pu être fait dans d’autres études (Eggermont et al. 2018). Cette étude vient d’être initiée dans le cas du projet MEKANOS (étude multicentrique en France) porté par le Professeur Cyrille Confavreux (rhumatologue) / The human body (adult) is composed of 206 bones ("Anatomy and Physiology | Simple Book Production" n.d.) that are dense tissues and make up the bulk of the human skeleton. The skeleton, being highly vascularized, is the most commonly affected site for metastatic cancer (Coleman 1997). The development of these bone metastases weakens the bone and can cause pathological fractures. However, the prediction of such fractures is difficult and far from automatic. One possibility for creating a more powerful diagnostic tool would be finite element simulations (FEA). Studies have shown that patient-specific FEA is able to surpass the expertise of clinicians in the case of ex vivo studies with mechanically induced bone defects (including Derikx et al., 2012). Research on bone cancer, however, is hard to put in place as samples are rare. In order to overcome the difficulty of finding human samples that are rarely available, the mouse has been used as a skeletal model in several cases, including the mechanical resistance of bones with ex vivo metastases (Mann et al., 2008). Thus, in order to study the involvement of metastatic tissue in the overall bone resistance of real samples, we used this animal model to create tumor samples. Our goal was twofold: first, to quantify the contribution of taking into account the mechanical properties of metastasis in the overall resistance of the bone. Secondly, to see if a simpler model than that proposed in the literature (based on purely elastic rather than elastoplastic properties (Eggermont et al., 2018) could improve the prediction of pathological fractures. First, the results obtained with our heterogeneous models (not taking tumor into account) showed a good consistency with the literature, the correlation between all the heterogeneous models (n = 43 legs) regarding the agreement of simulated and experimental fracture were of the same order of magnitude as a similar study conducted on mouse vertebrae (Nyman et al., 2015). Then, the model taking into account the properties of the tumors did not make it possible to improve the fracture prediction. The average of the differences of models taking tumor into account being of 30 ± 21% (n = 11 tumor limbs) against 12 ± 9% (n = 43 limbs). In addition, the specific model (taking into account the modulus of the tumors) being more difficult to obtain than the heterogeneous model (not requiring segmentation between bone and tumor), the first does not seem to be a wise choice in the prediction of long bone fracture presenting bone lysis. Finally, a detection criterion based on the difference between global and local ultimate force values made it possible to detect the majority of the mechanical instabilities observed in this study (sensitivity of 85% and specificity of 100%). Another criterion, based on the ratio between individual weights and the local ultimate force predicted via FEA, made it possible to correctly diagnose all cases (100% sensitivity and specificity). This result could prove to be of great help in making surgical decision making in the case of long bone with bone metastases. Of course, before that, the road ahead is long, this result having to be clinically confirmed first (possibly through the study of a retrospective cohort, as has already been done in other studies (Eggermont et al., 2018). This study has just been initiated in the case of the project MEKANOS (multicenter study in France) led by Professor Cyrille Confavreux (rheumatologist)

Ce manuscrit traite de la caractérisation numérique et expérimentale du comportement d'hydroliennes. D'un point de vue expérimental, des essais ont été réalisés au bassin à houle et courant de l'IFREMER de Boulolgne-Sur-Mer, sur des maquettes d'hydroliennes tri-pales à axe horizontal. Des configurations comprenant une seule hydrolienne, d'une part, et deux hydroliennes alignées avec l'écoulement, d'autre part, ont été considérées pour une large gamme de TSR et, le cas échéant, de distances inter-hydroliennes. Le comportement des hydroliennes est analysé à la fois en termes de performances (coefficients de puissance et de traînée) et de développement du sillage. Les effets du taux de turbulence ambiante sont également examinés. Par ailleurs, des simulations numériques, obtenues à l'aide d'un code tridimensionnel instationnaire, fondé sur la méthode Vortex particulaire et développé au LOMC (UMR 6294, CNRS - Université du Havre) en partenariat avec l'IFREMER, sont présentées. Le code de calcul permet également d'étudier les performances et le sillage d'une hydrolienne. Ce dernier a été complètement réécrit dans le cadre de cette thèse et le support théorique et technique des différents aspects du code est fourni dans ce manuscrit, où la méthode Vortex telle qu'elle est utilisée dans le code est exposée en détail.

L'objectif de cette étude est de développer un modèle de comportement adapté pour reproduire le comportement mécanique de l'élastomère avec l'évolution de la température. Pour réaliser cette étude, un travail expérimental préliminaire est effectué pour mettre en évidence les différents phénomènes mécaniques présents pour le matériau avec l'évolution de la température. Le matériau étudié est un élastomère synthétique fluoro-carboné (FKM), le Viton. Cet élastomère possède d'excellentes performances aux hautes températures et aux agressions chimiques. Ses propriétés sont utilisées pour diverses applications comme l'étanchéité, l'amortissement, l'isolation, etc. La caractérisation mécanique du matériau est réalisée à l'aide des essais classiques de traction et compression ainsi que des essais de relaxation sur une plage de température allant de −40◦C à 100◦C. Les essais de chargement cyclique mettent en évidence une présence non négligeable de l'hyperélasticité pour les élastomères. Les essais de relaxation nous permettent de décrire la viscosité du matériau. De plus, des essais de chargement interrompus par des relaxations ont aussi été effectués, pour différents taux de déformation avec des temps de relaxations de 900s. Ils font apparaître un équilibre hystérétique démontrant la présence de l'hystérésis pour notre matériau. Dans cette étude, nous avons fait le choix de ne considérer que la plage de température de −8◦C à 100◦C pour reproduire correctement le comportement du matériau. Le modèle utilisé est une loi de comportement phénoménologique basée sur une décomposition additive des puissances. Le modèle est constitué de trois contributions de contrainte : l'hyperélasticité, la viscosité et l'hystérésis. Ce modèle sera nommé Hyperélasto-Visco-Hystérésis (HVH) où la contribution hyperélastique est prise en compte à l'aide de potentiel phénoménologique de Hart-Smith. La viscosité est décrite à l'aide du modèle de Maxwell généralisé et la contribution hystérétique est prise en compte à l'aide d'un modèle original. Au cours de cette étude nous considérons simplement le premier cycle de chargement de notre matériau. Une méthode d'identification a été mise en place pour permettre de mieux prendre en compte les différentes contributions du modèle. Les identifications des paramètres matériau sont réalisées pour des isothermes comprises dans la plage de température étudiée. La validation du modèle sera dans un premier temps testé à température ambiante sur un cas de chargement industriel d'un joint en relaxation. Pour valider le modèle en fonction de la température nous simulons différents cas de chargement en isotherme. Ensuite, la simulation d'un essai de relaxation en compression subissant des cycles de températures est réalisée pour confronter le modèle à un calcul dépendant de la température.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptés au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantés dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.

Les travaux de thèse visent à améliorer les connaissances sur le comportement parasismique des bâtiments à ossature en bois. Le comportement de ces bâtiments sous sollicitations sismiques est lié à celui de ses assemblages par connecteurs métalliques (pointes, vis, équerres, etc.). La modélisation numérique d'une telle structure s'appuie sur une démarche multi-échelles, afin de représenter les comportements locaux à l'échelle de l'ouvrage. Trois échelles sont définies. Échelle 1 : assemblages, échelle 2 : éléments de structure (mur, plancher, toiture), échelle 3 : bâtiment. A chaque échelle, une loi de comportement dédiée (hystérétique avec endommagement) permet la modélisation. Les calages ou validations s'appuient sur des campagnes d'essais expérimentaux. Diverses configurations de spécimen et divers chargements sont testés afin de construire une vaste base de données de résultats. Les essais sur les assemblages par connecteurs métalliques ont permis le calage du modèle numérique à l'échelle 1. Un modèle éléments finis (EF) détaillé de mur est validé expérimentalement en quasi-statique et en dynamique. Un modèle EF simplifié de mur (macro) permet de passer à l'échelle du bâti. Cet élément macro, calibré sur le modèle détaillé, permet de reproduire avec une précision satisfaisante le comportement dynamique d'un mur. L'assemblage d'éléments de murs (pleins ou avec ouverture) permet de tendre vers la modélisation tridimensionnelle d'une structure. Ce modèle numérique de structure permettra d'étudier, localement et globalement, le comportement parasismique des constructions à ossature bois afin de proposer des dispositifs constructifs et un dimensionnement adaptés à ces ouvrages en zone sismique. / This research aims at a better understanding of the vulnerability of timber-frame buildings against earthquakes. The behavior of these structures under seismic loading relies on their joints with metal fasteners (nails, screws, 3 dimensionnal connections, etc.). The numerical modeling of such a structure is based on a multi-scale approach, which allows to take into account the local behaviors at the structural scale. Three scales are defined: Scale 1: joints, scale 2: structural elements (shear walls, floors, roofs), scale 3: buildings. At each scale, a behavior law (hysteretic with damage) is used. The calibrations or validations are based on experimental tests. Tests on joints with metal fasteners are used to calibrate the numerical model at scale 1. A detailed finite elements (FE) model of shear wall is developped and its predictions are confronted to quasi-static and dynamic experimental results for validation. A simplified FE model of shear wall (macro element) is used to generate a numerical model at the building scale. This macro element, calibrated on the detailed FE model, accurately reproduces the dynamic behavior of a shear wall despite its simplicity. The numerical model of timber-frame buildings will be used to study, locally and globally, their behavior against earthquake in order to propose construction details and design adapted to these structures in seismic areas.

Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants. / The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current losses in massive pieces was validated using an approach that combines the experimental results with those calculated analytically and numerically. Then, different global and local quantities from the analytical model were compared to the finite elements in both 2D and 3D as well as experimental measurements. The models and methods of computation and measurements proposed can be effectively used later to estimate eddy current losses in the permanent magnets of synchronous magnet motors.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur intervenant dans de nombreux systèmes thermiques ou énergétiques de par son efficacité. Dans certains, elle se produit à basse pression. La pression statique induite par la colonne de liquide au-dessus de la surface de formation des bulles n’est alors pas négligeable devant la pression de saturation à la surface libre. Dès lors, la pression et le sous-refroidissement induit ne peuvent plus être considérés homogènes autour des bulles, d’où des inhomogénéités des propriétés thermophysiques dans le fluide. Les influences relatives des forces s’exerçant sur une bulle pendant sa croissance sont modifiées par rapport aux pressions plus élevées : une dynamique de bulles différente apparaît. Ces conditions particulières affectent également les transferts thermiques. L’influence de la pression sur l’ébullition en vase a été étudiée expérimentalement dans le régime de bulles isolées en site unique. L’eau a d’abord été testée sur une large gamme de pressions subatmosphériques. Quatre comportements de dynamique de bulles ont été identifiés d’après la visualisation par caméra rapide. Plusieurs paramètres de la dynamique ont été quantifiés grâce à un traitement d’images adapté appliqué aux vidéos. Pour généraliser le concept d’ébullition à « basse pression » et mieux en appréhender les phénomènes fondamentaux, de nouveaux essais ont été réalisés avec un second fluide, le cyclohexane, choisi pour sa similitude thermodynamique avec l’eau bouillant en deçà de la pression atmosphérique. La comparaison des comportements des deux fluides a permis d’identifier certains paramètres responsables des spécificités du phénomène. En outre, de nouvelles fonctionnalités sont apportées au dispositif expérimental pour – notamment – effectuer la mesure rapide du flux transféré sous la bulle pendant sa croissance, synchroniser ces mesures thermiques avec l’acquisition d’images et étudier des surfaces d’ébullition structurées. Les résultats obtenus sont encourageants pour l’analyse des comportements spécifiques de l’ébullition à basse pression et ses applications. / Boiling is an efficient heat transfer mode used in numerous thermal or energy systems. In some systems boiling takes place at low pressure. The static head of the liquid column over the wall where bubbles nucleate is then not negligible against the saturation pressure at the free surface level. The pressure and the induced subcooling degree therefore cannot be considered as homogeneous around growing bubbles, resulting in non-homogeneous thermophysical properties in the fluid. The relative influence of the forces acting on a growing bubble differs from higher pressure conditions, yielding specific bubble dynamics features. Heat transfer is consequently also affected. The effect of the pressure on pool boiling was experimentally investigated during the isolated bubbles regime taking place from a single activated nucleation site. Experiments were first conducted with water for a wide range of subatmospheric pressures. Four distinct bubble dynamics behaviors were identified through high-speed camera visualizations. An adapted image processing of the recordings enabled the measurement of several bubble dynamics characteristics. In order to generalize the concept of pool boiling at "low pressure" and to get a better understanding of the related fundamental phenomena, new experiments were performed with a second fluid, cyclohexane, chosen from original thermodynamic similarity with water boiling at pressures lower than atmospheric. The comparison of fluids’ behaviors made possible the identification of parameters governing the specific phenomena occurring during boiling at low pressure. Besides, the experimental facility was improved to provide new functionalities. The high-speed measurement of the heat flux transferred under the growing bubble, its synchronization with the high-speed videos images and the study of boiling on enhanced surfaces are in particular made possible. Results are encouraging for a better understanding of the specific behaviors of low pressure boiling and for its future implementation in practical applications.

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet. / Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.

In the framework of the conservation of early reinforced concrete structures from the last third of the 19th century up to 1914, this research deals with superstructures (excluding foundations, roads, pipes, etc.) in reinforced concrete (in the modern sense of the term – i.e. concrete made with artificial cement and rebars supplying tensile strength; thus, the combination of a metal profile embedded in concrete is excluded). The development of reinforced concrete as a building material started around 1880 and became widespread around the time of the First World War. Some of the structures concerned are listed as heritage properties today. Therefore they deserve specific and careful study to ensure long-term preservation of their historic, architectural, technical and socio-economic value. They bear witness to a period in construction history when reinforced concrete was a new material. The outbreak of the First World War marked the end of the initial period of innovation, exploration and experimentation. By then, reinforced concrete had become widely accepted and adopted as a suitable and effective building material. However, present-day attempts at restoration often prove inadequate, due to incomplete understanding of this period of construction and the characteristics of the first generation of reinforced concrete. If the causes of degradation are incorrectly diagnosed, the repairs are likely to be inappropriate. Moreover, the number of reinforced concrete structures requiring repair work is currently increasing with the natural ageing of the material. This phenomenon will continue to grow in the coming years.<p><p>With this in mind, the present research aims at identifying the specific structural characteristics of reinforced concrete structures erected before the First World War. Several axes of investigation were pursued in this PhD research and have resulted in the main observations detailed below. <p>- Based on a case study of the region of Brussels (Belgium), a database of structures built in reinforced concrete prior to 1914 was drawn up in order to place the material in its historical and geographical context. The inventory currently contains 507 examples and provides a panorama of the uses of reinforced concrete, ranging from numerous foundations and slabs to a complete structure from the end of the 1890s. This list is supplemented by a survey of a total of 605 patents filed for reinforced concrete in Belgium before the First World War. The early development of reinforced concrete was strongly related to national patenting, with a considerable number of systems being patented by private inventors for commercial purposes. Reinforced concrete profoundly transformed the building industry. All the professions working with the composite material had to change their approach, from the planning stage through to execution on the site. From the viewpoint of construction history, all these modifications make the time of the advent of reinforced concrete a particularly fruitful period to study. <p>- From the survey of early reinforced concrete structures in Brussels and the database of Belgian patents, the supremacy of the Frenchman François Hennebique and his system on the Brussels market for reinforced concrete (and, by extension, on the Belgian market) before 1914 is incontestable. This commercial achievement resulted from a combination of factors: an efficient structural system, meticulous attention to the quality of on-site reinforced concrete execution, and the commercial acumen to develop the business through advertising and other media. The well-known Hennebique system represents a monolithic structure including slabs, beams and columns. In fact, this system changed over the decades of operation of Hennebique’s company, not so much in relation to the design methods (his original semi-empirical method continued to be used) but particularly in practical terms (the type and location of the rebars among others). The evolution of the system is analysed by means of technical drawings from about 30 Belgian projects designed by Hennebique between 1900 and 1930. <p>- After the building contractors, who had been the first to believe in the structural and economic potential of reinforced concrete, engineers invented the calculation models and architects started developing new shapes. The Belgian engineer Paul Christophe was among the first theorists of reinforced concrete. The publication of his book Le béton armé et ses applications in 1899 is internationally recognised as a milestone in the rational modelling of structural reinforced concrete elements. Prior to the present study, details of his life and work remained largely uninvestigated, but the discovery of large parts of his personal archives has allowed clarification of his role in the popularisation of reinforced concrete, especially at the theoretical level.<p>- Reinforced concrete structures around the beginning of the 20th century were initially governed by empirical models of calculation (and execution) developed by the individual constructors. Gradually, reinforced concrete standards, published between 1904 and 1923 and based on working stress analysis and elastic modular ratio theory, replaced the utility of the patented systems. The different theoretical approaches are briefly described in this research. Mastering the theoretical assumptions and calculation methods used at the time represents the first step towards an appreciation of the structural behaviour and the possible weaknesses that can be expected.<p>- A review, based on literature published at that time, of the properties of the components of reinforced concrete allows identification of the characteristic materials used in the concrete matrix and the metal reinforcements. The execution process and the available technological tools for erecting a reinforced concrete structure are also addressed, as these would have had a direct influence on the quality of construction. Non-destructive and destructive experimental laboratory tests were performed on original samples, mainly removed from the Colo-Hugues viaduct (1904, Braine-l’Alleud, Hennebique system) in order to assess the mechanical properties, chemical features and durability issues for concrete and ferrous reinforcements. Comparing the results obtained using different techniques also makes it possible to determine the extent to which these techniques are reliable for the appraisal of early reinforced concrete structures. <p>- The structural efficiency of the Hennebique system is assessed based on an understanding of the principles of Hennebique’s semi-empirical method of calculation, but also – and primarily – by means of observations from experimental tests carried out on full-sized beams removed from the Colo-Hugues viaduct. Analysing and understanding the behaviour of the new composite material was a critical issue for promoting the use of reinforced concrete at the beginning of the 20th century. Today, what is required is a re-assessment of its structural behaviour. Three bending tests up to failure in simply supported conditions were performed at the BATir Department of the Université libre de Bruxelles on T-beams from the Colo-Hugues viaduct. This case study is representative of the majority of Hennebique structures, because the typical continuous straight T-beam is the main structural element of any Hennebique structure (bridge, building, etc.). The first test is a four-point bending test on a complete span (6 m) of the viaduct to obtain the response of the central part under positive bending moment. The flexural failure was ductile and occurred through yielding of the reinforcements followed by crushing of the concrete at mid-span. The second and third tests are three-point bending tests on 4 m long specimens centred on the column, representing the behaviour of the beam around the supports. These showed a sudden slipping failure due to loss of the adhesive bond between rebars. The results of these three experiments combined reproduce the actual behaviour of the viaduct in service. The bearing capacity of the Hennebique system in service and at ultimate has been demonstrated, at least for one loading case. These experimental tests provide essential data for a better understanding of the mechanisms of failure and reveal the main weaknesses of the Hennebique T-beam. Two strengthening solutions are suggested as supplementary information. <p>- The pathologies observed in early reinforced concrete structures (honeycombs, corrosion of the rebars, and so on) are mainly attributable to the tools and techniques that the builders had at their disposal (handmade compaction, high water-to-cement ratio, etc.) and by the limited contemporary knowledge of the physical and chemical phenomena, especially with regard to long-term effects. In fact, the concrete quality of the viaduct is surprisingly satisfactory despite its great age, due to the fact that the whole structure was covered with plaster, like the majority of reinforced concrete structures designed at that time.<p><p>This research establishes that reinforced concrete structures from 1880 to 1914 differ from later reinforced concrete structures. Taking into consideration the features of early reinforced concrete structures will contribute to ensuring sustainable conservation with limited intervention, thus preserving as much as possible of the original structure when restoration work is undertaken. Working on existing buildings often requires a multidisciplinary and holistic approach. The present study could thus be extended in various areas. For example, other structural aspects could be studied more in depth, such as demonstration of the shear strength of the Hennebique system or detailed consideration of the reinforcements (low adherence, particular anchorage devices, etc.)/<p>C'est dans le cadre de la conservation, au sens large du terme, que s'inscrit cette recherche sur les constructions en béton armé de première génération, c'est-à-dire de la fin du 19ème siècle au début du 20ème siècle. Cette recherche traite uniquement des superstructures, à l'exclusion des fondations, routes, tuyaux, etc. et en béton armé au sens moderne du terme, c'est-à-dire un béton réalisé à base de ciment artificiel et dont les armatures interviennent surtout pour reprendre les efforts de traction, ce qui exclut par exemple les utilisations de poutrelles métalliques enrobées de béton. Certains de ces ouvrages, réalisés entre 1880 et 1914, font aujourd'hui partie intégrante du patrimoine bâti, pour leurs valeurs architecturale, historique, technique ou aussi socio-économique. Ils jalonnent désormais l'histoire de la construction comme témoins d'une époque où le béton armé était un matériau nouveau. La Première Guerre mondiale marque la fin de cette période de premières innovations, d'explorations et d'expérimentations. Elle entérine l'acceptation et la diffusion du béton armé comme matériau de construction à part entière. Cependant, ainsi que le montrent certains projets de restauration actuels aux interventions inadéquates, il y a encore une méconnaissance des spécificités du béton armé de cette époque. Les causes de leurs dégradations mal diagnostiquées sont traitées de façon inappropriée. Or, dans les prochaines années, nombre de structures en béton armé construites dans la première moitié du 20ème siècle seront amenées à subir une rénovation suite au vieillissement naturel du matériau. C'est pourquoi pour conserver au mieux ces structures, il est indispensable d'étudier en détails leurs caractéristiques techniques pour ensuite intervenir, si nécessaire, de façon précise et adaptée.<p><p>Ce doctorat s'attèle donc à identifier les particularités des constructions en béton armé construites avant l'avènement de la Première Guerre mondiale, et plus spécifiquement à étudier leurs aspects structuraux. Plusieurs axes de recherche ont été développés et ont abouti aux principaux résultats suivants. <p>- Basé sur le cas de la région de Bruxelles-Capitale (Belgique), un inventaire des interventions en béton armé, construites avant 1914, a été dressé pour replacer le matériau dans son contexte historique et géographique. Cette base de données, comprenant 507 biens jusqu'à présent, illustre les types d'utilisation du béton armé dans la construction au début du 20ème siècle, d'abord des fondations ou simples planchers, jusqu'à une structure monolithique complète dès la fin des années 1890. Cet inventaire est complété par le relevé détaillé des brevets, au nombre de 605, déposés à ce sujet en Belgique avant la Première Guerre mondiale. Les brevets ont joué un rôle fondamental dans le développement du béton armé. Celui-ci était, en effet, régi par un foisonnement de systèmes commerciaux, majoritairement brevetés. L'introduction du béton armé a transformé en profondeur le secteur de la construction et notamment les professions liées tant à la phase de conception qu'au chantier lui-même. Du point de vue de l'histoire de la construction, toutes ces mutations font de l'avènement du béton armé une période historique riche. <p>- A la lecture du panorama offert par les inventaires des constructions et des brevets, la prééminence de la compagnie du Français François Hennebique, et donc de son système, sur le marché bruxellois (et par extrapolation sur le marché belge) du béton armé avant 1914 est indéniable. La réussite commerciale de Hennebique résulte d'une combinaison de facteurs: un système efficace sur le plan structural, une qualité d'exécution de béton coulé en place fiable et méticuleuse ainsi qu'un sens développé des affaires, en maîtrisant l'art de la promotion et de la publicité notamment. Le système bien connu de Hennebique comprend un ensemble monolithique formé par des dalles (hourdis), poutres et colonnes. Ce système a, en réalité, évolué dans le temps, pas tant d'un point de vue théorique (les calculs de dimensionnement sont les mêmes) mais plutôt pratique (positionnement, type d'armatures, etc.). Cette évolution a été observée par l'étude d'une trentaine de cas pratiques exécutés par Hennebique entre 1900 et 1930 en Belgique.<p>- Après les entrepreneurs, qui ont été les premiers à croire aux nouvelles possibilités constructives qu'offre le béton armé ainsi qu'à son succès commercial, les ingénieurs en inventent les principes de calcul et les architectes en révolutionnent les formes. L'ingénieur belge Paul Christophe fut parmi les premiers théoriciens du béton armé. La publication de son ouvrage Le béton armé et ses applications en 1899 constitue une étape importante, et internationalement reconnue, pour le dimensionnement rationnel d'éléments structuraux en béton armé. Jusqu'à la présente recherche, sa vie et son œuvre étaient restées assez confidentielles mais la découverte d'une partie de ses archives personnelles a permis de clarifier son rôle dans la diffusion, surtout théorique, du béton armé. <p>- Les structures en béton armé d'avant la Première Guerre mondiale furent d'abord gouvernées par des méthodes empiriques de dimensionnement (et d'exécution) développées par chaque constructeur. L'apparition des premières règlementations entre 1904 et 1923, basées sur une analyse en contraintes admissibles et la théorie du coefficient d'équivalence, remplace ensuite peu-à-peu l'utilité des systèmes brevetés. Les différentes approches théoriques sont brièvement décrites dans cette recherche. Maitriser les hypothèses et les méthodes de calculs employées à l'époque est, en effet, une première étape pour comprendre le fonctionnement structural prévu et les potentielles défaillances de dimensionnement. <p>- A travers une lecture attentive de la littérature publiée à cette période, les matériaux intervenants dans la fabrication du béton armé (c'est-à-dire le béton et les armatures) et utilisés couramment au début du 20ème siècle ont été identifiés ainsi que les moyens disponibles à cette époque pour produire des structures en béton armé. Des méthodes d'essais non-destructives et destructives ont été appliquées principalement, sur le viaduc Colo-Hugues (1904, Braine-l'Alleud, système Hennebique) afin d'évaluer les caractéristiques mécaniques, les propriétés chimiques et la durabilité tant du béton que des renforcements métalliques. Comparer les résultats de ces différentes méthodes permet d'aborder les limites d'utilisation de ces techniques, lorsqu'il s'agit d'évaluer structuralement des bétons armés de première génération. <p>- Grâce à la compréhension des principes, semi-empiriques, de dimensionnement appliqués par le bureau Hennebique en son temps mais surtout grâce aux observations déduites des essais expérimentaux réalisés sur des poutres de grandeur réelle, prélevées sur le viaduc Colo-Hugues, le fonctionnement structural réel du système Hennebique est évalué. Comprendre et modéliser le comportement du nouveau matériau composite fut une problématique fondamentale pour accroître l'usage du béton armé au début du 20ème siècle. Actuellement, il s'agit de réévaluer le comportement de ces structures. Trois essais jusqu'à rupture ont été menés, au département BATir de l'Université libre de Bruxelles, sur des poutres à gousset en T provenant du viaduc Colo-Hugues en conditions isostatiques et soumises à flexion. Ce viaduc des chemins de fer vicinaux est un cas d'étude représentatif de la majorité des constructions Hennebique, car la poutre de section en T est la structure typique du système Hennebique, utilisée tant dans les ouvrages d'art que dans les bâtiments. Le premier essai est une flexion 4 points sur une travée complète du viaduc (6 m de portée) pour obtenir la réponse en zone de moment maximum positif. La rupture ductile a eu lieu par plastification des armatures suivie d'un écrasement du béton en zone centrale, c'est-à-dire dans la zone la plus sollicitée. Deux éléments identiques de longueur de 4 m ont été essayés en flexion 3 points pour représenter le comportement sur appuis. La rupture de ces deux dernières expériences s'est produite suite à un glissement des armatures sur appuis (goussets à côté de la colonne). Il s'agit donc d'une rupture à caractère fragile. Les trois essais combinés représentent correctement la structure hyperstatique du viaduc dans son fonctionnement en service. La capacité portante réelle du système Hennebique en service et à l'état limite ultime, du moins dans un cas de chargement, a pu être expliquée. Ces essais fournissent les données essentielles pour estimer l'efficacité structurale du système Hennebique et identifier ses faiblesses. Deux solutions de renforcement sont proposées en complément d'information.<p>- Les pathologies observées dans les bétons armés datant du début du 20ème siècle (nids de graviers, corrosion des armatures, etc.) sont, la plupart du temps, causées par les outils sommaires à la disposition des constructeurs (vibration à la main, rapport eau/ciment plus élevé qu'aujourd'hui, etc.) et par une connaissance limitée des phénomènes physiques et chimiques, surtout à long terme. En fait, la qualité du béton du viaduc Colo-Hugues est particulièrement satisfaisante malgré l'âge avancé du béton, grâce notamment à l'enduit recouvrant l'ensemble du viaduc, ce qui est le cas pour la majorité des structures de la période étudiée.<p><p>Cette recherche démontre que les constructions en béton armé datant de 1880 à 1914 diffèrent des ouvrages postérieurs en béton armé et qu'il serait utile pour leur restauration de tenir compte de ces spécificités. La connaissance approfondie des particularités des constructions en béton armé de première génération permettra, espérons-le, de contribuer à leur longévité en intervenant le moins possible sur les structures d'origine. Etant donné que l'étude des structures existantes nécessite le plus souvent une approche pluridisciplinaire, ce travail pourrait être poursuivi dans plusieurs domaines variés. Il resterait notamment à approfondir d'autres aspects de stabilité, comme par exemple la démonstration de l'efficacité à l'effort tranchant du système Hennebique ou encore la prise en considération plus détaillée des armatures (adhérence limitée, forme d'ancrage particulier, etc.). / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished