Ce document présente l'ensemble des travaux de l'auteur dans le domaine de la thermohydraulique appliquée aux écoulements rencontrés dans les réacteurs nucléaires. Il présente en particulier les développements réalisés pour la simulation numérique des écoulements diphasiques dans les générateurs de vapeur. Il présente une méthode aux éléments finis permettant de calculer ces écoulements.

Les logiciels Flux sont des logiciels de modélisation des phénomènes électromagnétiques par la méthode des éléments finis. Ils sont particuliérement bien adaptés pour l'analyse fine des machines électriques tournantes. Cependant leur interface généraliste rend la définition d'un calcul assez longue ce qui limite leur utilisation. Les travaux présentés proposent de faire une analyse du métier de la conception des machines tournantes, de manière à définir et réaliser un nouveau logiciel dédié, basé sur les capacités de calcul de Flux . En capitalisant un certains nombre de concepts métier comme des topologies de moteur ou des méthodes d'analyses classiques, ce logiciel donne un accès plus simple et plus rapide aux outils numériques dans le processus de conception des moteurs. De plus, les concepts informatiques utilisés ont permis l'élaboration d'une méthodologie de personnalisation du logiciel Flux réutilisable pour d'autre métiers et accessible à un utilisateur avancé.

L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.

Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration.

Le marché de l'énergie distribuée est actuellement en pleine expansion et favorise l'intégration d'une multitude de sources d'énergie, et les machines à combustion interne ne sont pas exclues. Les moteurs à piston sont actuellement les principaux acteurs du marché, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût en capital. Cependant, la réglementation de plus en plus sévère sur les émissions ainsi que les coûts liés à la maintenance et les temps d'arrêt sont prohibitifs pour ce type de machines, en particulier dans le segment de basse puissance et de production d’énergie et de chaleur combinées (CHP). C'est là que les microturbines opérant sous le cycle récupéré – de petites turbines à gaz qui produisent moins de 1 MW de puissance – ont un avantage concurrentiel, grâce à moins de pièces en mouvement, une combustion plus propre et une température élevée d'échappement. Les petites turbomachines récupérées doivent atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) très élevées, requises pour atteindre 40% de rendement thermique. Les céramiques non refroidies offrent une solution très attrayante, avec plusieurs essais mais des résultats peu concluants dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle architecture qui prend en charge des pales en céramique monolithique dans un environnement d’opération à chaud. La turbine renversée en céramique (ICT) est constituée d'un moyeu métallique flexible qui fournit une base souple pour les pales individuelles en céramique qui sont supportées par l'extérieur par un anneau en composite carbone-polymère. Les forces centrifuges chargent les pales en compression au lieu d’en tension, exploitant ainsi la résistance en compression typiquement élevée des céramiques techniques. Le document présente la validation expérimentale entreprise pour vérifier l'intégrité structurelle d’un prototype de configuration ICT à petite échelle, dans des conditions de fonctionnement à froid et à chaud, ainsi que les étapes qui y ont mené. Les résultats expérimentaux montrent que l'ICT supporte des pales en alumine dans les tests à froid et le nitrure de silicium pour des températures d'entrée du rotor jusqu'à 1000 K, avec des vitesses de pointe de pale atteignant 271 m/s. L’incursion d’objet domestique, l'événement le plus désastreux à se produire dans les turbines en céramique dans la littérature, n'a pas causé de dommages aux pales dans cette configuration. Ces résultats indiquent que l'architecture ICT est robuste et viable, et que le développement peut être poursuivi pour augmenter la TIT et la vitesse de pointe de la turbine, afin d’éventuellement parvenir à une microturbine récupérée en céramique de 1600 K de TIT.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Afin d'étendre la diversité des composants intégrables dans un System in Package (SiP), il apparaît nécessaire de développer l'intégration de composants hétérogènes. Cette étude présente une solution par report avec un scellement en polymère. L'utilisation de ces matériaux entraîne des problèmes de fiabilité thermomécanique. Grâce à un prototype virtuel, il est possible d'évaluer les sollicitations et de comprendre ce comportement de la structure. Cela permet de mieux appréhender les mécanismes de défaillance et d'optimiser la structure avant sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité, nous avons utilisé des filtres à ondes acoustiques de surfaces (SAW filters). Nous avons étudié trois types de polymères (BCB, SU8 et TMMF) pour réaliser le scellement et protéger le filtre. Différents tests mécaniques, électriques et de fiabilité ont permis de valider cette solution. Nous avons réalisé un SiP comprenant un tuner et un filtre SAW dans un même boîtier pour de la télévision sur mobile / In the objective to extend the variety of the integrated components inside a System in Packahe (SiP), it is necessary to develop the integration of heterogeneous component. This study presents a flip-chip solution with an adhesive bonding. The use of such materials involves some problems of thermo-mechanical reliability. With virtual prototyping, it is possible to evaluate the strains and to understand the behaviour of the structure. These allow us to know the origin of the failure and to optimize its design before the fabrication. The feasability of the technique is demonstrated with a surface acoustic waves filter (SAW). We study three different types of polymer (BCB, SU-8 and TMMF) for the sealing and for the protection of the active area of the filter. Different tests : mechanical, electrical and reliability validate our solution. We have made a complete SiP composed by a silicon tuner and a SAW filter inside a single package for a television on mobile application

Le traitement endovasculaire (EVAR) de l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d’éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l’avantage d’être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d’améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l’EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d’EPs ont été validés à partir d’une analyse d’images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l’architecture de l’EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d’anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d’autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d’un logiciel d’aide à la décision à destination des chirurgiens. / The aim of the endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA) is to set up a stent-graft (SG) within the aneurysm in order to avoid its rupture. This surgery is mini-invasive and can be used for patients who are ineligible for open surgery. However, complications mainly due to mechanical issues can occur during patient follow-up, such as endoleak or stenosis for example. A better knowledge of SG mechanical behaviour could be useful to improve SG design and durability which still prevents surgeons to use this treatment systematically. A new methodology to model multi-material SGs has been developed. Special attention has been paid to the mechanical characterization of stent and graft materials. SG numerical models have been qualitatively and quantitatively validated on a bending test by the means of tomographic acquisitions and image processing, showing their reliability. Mechanical performances of several marketed SGs have been assessed through various tests increasingly closer to the in vivo conditions undergone by the devices. SGs have been subjected to pure bending tests, then to tests combining bending and pressurisation. SG flexibility and components mechanical response have been compared and SGs have been ranked according to their performances. It has been shown that SG architecture has a significant influence on SG mechanical performances. Finally, SG deployment within two aneurysm models has been successfully simulated. The latter study highlighted other complications, like type I endoleak. This work has many promising perspectives, especially the development of a computer-aided surgery.Finite element analysis of the mechanical performances of aortic stent-grafts: application to the treatment of tortuous aneurysms.

Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l’acier et le béton via l’interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l’état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l’instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul…). Dans ce cadre d’application, l’hypothèse de liaison parfaite entre l’acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l’interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d’un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d’acier représentées à l’aide d’éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d’adhérence (évolution de la contrainte d’adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d’une rupture par arrachement, d’une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l’application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l’évolution de la fissuration (évolution de l’ouverture de fissure mesurée à l’aide de la technique de corrélation d’images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d’une part ou de l’hypothèse de liaison parfaite d’autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l’endommagement du béton le long des renforts). / Reinforced concrete structures may have to fulfill functions that go beyond their simple mechanical resistance. During the cracking process, stresses are progressively transferred from steel to concrete through the steel-concrete interface. This stress transfer has a direct impact on the crack properties. Taking into account these effects seems thus essential to predict correctly the cracking of reinforced concrete structures. Different models exist to represent the steel-concrete bond behavior. However, these models are rarely compatible with large scale simulations (meshing difficulties, heavy computational cost…). To overcome these difficulties, a perfect relation between steel and concrete (same displacements) is generally considered for structural applications. In this contribution, a new finite element approach is proposed to represent the steel-concrete bond effects in a context adapted for large scale simulations. This thesis is divided in three parts: - the development of a finite element steel-concrete bond model adapted for large scale structural applications . This model takes into account mechanical interactions between concrete and steel reinforcement represented by truss elements. - the characterization of the steel-concrete bond behavior. A model for the bond stress-slip law based on experimental observations (experimental campaign on pull-out test carried out during the thesis and data of literature) is proposed. This model differentiates the case of a pull-out failure and of splitting failure and takes into account the material properties and the geometric characteristics of the structure. - an application of the proposed model on a structural element (beam). A four point bending beam is experimentally tested. This test aims to characterize the crack evolution (in particular the crack opening using the image correlation technique). Experimental results are then compared with numerical simulations taking into account the bond–slip effect between steel and concrete or considering the perfect relation hypothesis. The two simulations give a good approximation of the external behavior of the structure (global behavior and crack opening on the external face of the beam). Nevertheless, the bond model improves the cracking description during the active cracking phase (beginning of crack apparition) and influences the local behavior of the structure especially near the steel bars (avoiding the propagation of the damage of concrete along the steel reinforcement).