This doctoral research was realized within the frame of the SMARTNET Project which aimed at developing coatings to improve the cleanability of stainless steel, targeting open surface applications. Throughout this thesis, the radial-flow cell was selected to study the removal of different soils due to its ability to generate well-controlled wall shear stress distributions on the investigated surfaces. Model surfaces were selected for their different physico-chemical and mechanical properties to study the interactions between the soils and the surfaces in detail. A thin layer chromatography sprayer giving a narrower and more reproducible droplet sizes distribution was preferred to mimic splashing and produce controlled spatters. The first experimental campaign involving oil droplets showed that the analytical models available to relate the detachment radius with the critical wall shear stress (minimal wall shear stress required for soil detachment) and the soil adhesion strength in the radial flow cell could only be applied for weakly adherent soils for which removal occurs below 3 Pa, due to the complex hydrodynamics near the inlet. Consequently, the flow inside the radial-flow cell has been characterized using computational fluid dynamics over the whole inlet laminar regime and validated experimentally. Studying the adherence of starch granule aggregates in the radial-flow cell revealed that the conversion of critical radius into critical wall shear stress may be biased when the adhering aggregate height is not negligible with respect to the channel height and when the adherence is such that flow rates above creeping flow conditions are required for soil detachment. The influence of several environmental factors and substrate properties was then examined to improve the understanding of the mechanisms affecting soiling and cleanability. By influencing droplet spreading and competition between capillary forces at the granule-substrate and granule-granule interfaces, substrate wettability affects the shape and compactness of the adhering aggregates, the efficiency of shear forces upon cleaning, and finally the adherence of soiling particles. Macromolecules originating from the starch granules suspension are adsorbed on the substrate from the liquid phase or carried by the retracting film and accumulated at the granule-substrate interface. They influence granule adherence by acting as an adhesive joint, the properties of which seem to be influenced by the detailed history of drying and exposure to humidity. On compliant substrates, the aggregate-substrate interactions induce stresses at the granule-substrate interface which may lead to substrate deformation and promote a more intimate contact between the granules and their substrate, thereby appreciably increasing adherence.

Les phénomènes de bioadhésion de microorganismes sur les aciers inoxydables son fréquents et peuvent entraîner des problèmes de santé publique tels que des infections toxicologiques. En partenariat avec Ugine-Alz, nous nous sommes intéressés, à l'aide d'une chambre à flux radial (Décavé et al. Biophysical Journal, 2002, 82, 2383-95), à l'étude quantitative des cinétiques de détachement de trois microorganismes après adhésion sur des surfaces d'acier inoxydable. Saccharomyces cerevisiae (levure), Escherichia coli (Gram-), et Staphylococcus epidermidis (Gram+). Les aciers inoxydables utilisés sont des échantillons polis miroir et polis attaqués avec des tailles de grain et des profondeurs d'attaque des joints de grain différentes. L'utilisation de ces différents états de surface ne modifie pas la valeur de la contrainte nécessaire pour détacher 50% des microorganismes (seuil de détachement). Par contre, la profondeur d'attaque des joints de grain et la taille de grain accélèrent la cinétique de détachement de S. cerevisiae et ralentissent celle d'E. coli. Enfin, une adhésion préférentielle a été mise en évidence, pour les trois microorganismes, sur les grains d'orientation cristallographique <001> (Demilly et al., Colloids and Surfaces B, in press, 2006).

Les aciers inoxydables sont des matériaux couramment utilisés dans les industries agroalimentaires, la restauration collective mais également dans le milieu médical et hospitalier. Dans ces domaines, les phénomènes de bioadhésion de microorganismes sur ces substrats sont fréquents et peuvent entraîner des problèmes de santé publique tels que des infections toxicologiques ou des contaminations chez des sujets porteurs de matériau étranger (cathéter, prothèse).<br />Dans ce travail, effectué en partenariat avec le groupe sidérugique Ugine-Alz, nous nous sommes intéressés, à l'aide d'une chambre à flux radial, à l'étude quantitative des cinétiques de détachement de trois microorganismes après adhésion sur des surfaces d'acier inoxydable. Saccharomyces cerevisiae, une levure, est représentative des eucaryotes, Escherichia coli est une bactérie Gram- et Staphylococcus epidermidis, une bactérie Gram+. Les états de surface des aciers inoxydables utilisés sont des échantillons polis miroir (PM) et polis attaqués (PA) avec des tailles de grain différentes (20, 40 et 100 µm) et différentes profondeurs d'attaque des joints de grain (100 ± 50 nm, 150 ± 50 nm, 650 ± 150 nm). L'utilisation de ces différents états de surface ne modifie pas la valeur de la contrainte nécessaire pour détacher 50 % des microorganismes (seuil de détachement). Par contre, la profondeur d'attaque des joints de grain et, dans une moindre mesure, la taille de grain (20, 40 et 100 µm) accélèrent la cinétique de détachement de S. cerevisiae, grosse cellule non déformable et ralentissent celle d'E. coli, petite cellule déformable. Enfin, une adhésion préférentielle a été mise en évidence, pour les trois types de cellules, sur les grains d'orientation cristallographiques <001>.<br />Les observtions expérimentales ont par ailleurs été rationalisées à l'aide du modèle de B. Fourcade, D. Garrivier et E. Décavé (Décavé et al., 2002) et par le biais d'une analyse qualitative des interactions cellule-substrat en fonction de la taille et de la déformabilité des cellules.

Aujourd'hui, il est impératif de réduire les émissions de CO2 des véhicules routiers en raison des changements climatiques. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste à utiliser les véhicules électriques (VÉ) et hybrides électriques (VÉH). Les VÉ et VÉH ont besoin de machines électriques pour réaliser la conversion d’énergie électromécanique. Les machines électriques à aimant permanent semblent être les meilleurs candidats pour les applications VÉ et VÉH en termes de performances exceptionnelles. L’aimant permanent des terres rares le plus puissant est le type de Néodyme-Fer-Bore (Nd2Fe14B) ou simplement appelés NdFeB. Généralement, une petite quantité d’éléments terres rares lourds, comme le Dysprosium (Dy) ou le Terbium (Tb) est ajoutée à l’alliage de NdFeB afin d'améliorer les performances. Cependant, cette forte demande en terres rares implique de sérieux problèmes d’approvisionnement. Dans ce cas, l'une des solutions possibles pour que l'Europe lutter contre les risques d'approvisionnement en terres rares consiste au recyclage des aimants terres rares. DEMETER est l’acronyme anglais pour le groupe européen de formation universitaire pour la conception et le recyclage de moteurs et de générateurs électriques à aimants permanents terres rares pour les véhicules tout-électriques et hybrides électriques. Son objectif était étudier les trois voies possible pour le recyclage des aimants permanents à base de terres rares présents dans les moteurs électriques : la réutilisation directe, le recyclage direct et le recyclage indirect. Valeo et G2Elab sont les principaux partenaires de ce projet. Ils se concentrent principalement sur la réutilisation directe des aimants permanents. La thèse est supervisée par Valeo et G2Elab et se concentre principalement sur les machines électriques à flux radial à aimants permanents qui sont les machines électriques les plus utilisées de nos jours. Les applications visées sont les véhicules hybrides électriques à niveau d’hybridation douce ou les petits VÉ. Le dimensionnement de ce moteur innovant doit non seulement être recyclable du point de vue des aimants permanents mais doit également répondre à tous les critères exigeants du cahier des charges.Des études bibliographiques approfondies, l’optimisation FEM et l’analyse thermique / mécanique ont révélé qu’une machine synchrone à aimants permanent insérés (MSAPI) peut largement satisfaire à toutes les exigences et à toutes les contraintes. Ensuite, nous avons utilisé un aimant lié pour à la MSAPI pour réutilisés. L'assemblage de la machine avec des aimants liés est plus facile que l'assemblage avec des aimants frittés, comme l'aimant lié est directement assemblé au fer rotorique par moulage par injection. Le démontage des aimants est également plus facile. Dans le contexte d’un procédé de recyclage des rotors à aimants liés, ces derniers pourraient être chauffés afin de faire fondre les aimants liés et les extraire ensuite facilement. Ils peuvent être mélangés à des aimants recyclés avec un certain pourcentage de composé d’aimants vierges pour fabriquer de nouveaux aimants liés sans modification notable des performances magnétiques de l’aimant. De nombreux essais de référence ont été à réalisés évaluer les performances de cette machine, puis comparés aux résultats de la simulation. Dans cette thèse, en plus des propositions de dimensionnements innovants, l’objectif est d'évaluer les machines électriques du point de vue de leur recyclabilité. La recyclabilité est quantifiée par deux indices. Ces derniers peuvent être regroupés sous le terme WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy – index Pondéré de recyclage et de consommation énergétique). En utilisant WIRE, la recyclabilité entre différentes machines peut être comparable, même avec des dimensions ou des performances différentes. La méthode de réutilisation et de recyclage des aimants permet d’obtenir des avantages environnementaux sans pertes économiques. / Nowadays it is imperative to reduce the CO2 emission of automotives due to the climate changes. One of the essential strategies is to use new energy vehicles, such as Hybrid and pure Electrical Vehicles ((H)EVs). However, no matter what the energy storage devices (H)EVs have, they always need electrical machines to transfer electrical energy into mechanical energy. Permanent Magnet (PM) electrical machines seem to be the best candidates for (H)EV applications in terms of their outstanding performances. However, the supply and cost of PMs are essential for PM machines. The strongest rare earth PM is Neodymium-Iron-Boron (Nd2Fe14B) type magnet, or simply written as NdFeB. Commonly, in order to improve the temperature stability as well as resistant demagnetization of magnets, small portion of heavy rare earth element, Dysprosium (Dy) or Terbium (Tb), is added to the alloy. However, with a high demand of high grade NdFeB magnets, the supplies of these rare earth elements, including Neodymium (Nd), face serious challenge, especially for Europe. In this case, one of the possible solutions for Europe to tackle the rare earth supply risks is to recycle rare earth magnets. Demeter -European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles, is an Europe Union registered project. DEMETER envisaged three routes for the recovery of rare earth PM from these devices, which are so called direct re-use, direct recycling and indirect recycling. Valeo and G2Elab are the principal partners in this project, and they mainly focus on the route of PM direct re-use. This doctor thesis is supervised by Valeo and G2Elab, and mainly focuses on radial flux type PM electrical machines, which are the most widely used type of electrical machines nowadays. The applications include Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV) or small Electric Vehicles (EV). The new motor design not only needs to be recycle friendly for PMs, but also needs to meet all the strict requirements for the applications.With thorough literature studies, FEM optimization and thermal/mechanical analysis, it was found that an IPMSM design can fairly fulfill all the requirements and constraints. Then new magnet materials and assembly methods were implemented for the magnet recycling - a kind of bonded magnet was used for the IPMSM. This bonded magnet was made from a Hydrogen Decrepitation Deabsorbation Recombination (HDDR) anisotropic NdFeB magnet powder, with Sulfide (PPS) binder. It has the possibility to directly assemble the magnet into the rotor by injection molding. Thus the assembly of the magnets would not be constraint by their shapes. The disassembly of the magnets became easy as well – it is possible to heated up the rotors so that the bonded magnets can be melted down for extraction. Then they can be mixed with a certain percent of virgin magnets compound to make new bonded magnets without remarkable changes on performances. In summary, the entire recycling process is relatively easy and ecologically sustainable. Thus, based on this new concept, an IPMSM with bonded NdFeB magnets were fabricated. Series benchmark tests were carried out, for instance measurements of back-EMF, torque, efficiency, short circuit current and stator temperatures. In this thesis, apart from new design ideas of electrical machines, another goal is to evaluate e-machines with respect to the recyclability. The recyclability is quantified by two indexes, together they can be named Weighted Index of Recycling and Energy (WIRE). By using WIRE, the recyclability between different machines can be comparable, even with different dimension or performances. It was found that by using WIRE to evaluate the new designed PM machine, promising results can be obtained. The magnet reuse and recycling approach can gain environment benefit without economic losses.

La chromatographie membranaire est une alternative à la chromatographie classique sur résine basée sur le transport convectif des solutés à travers une membrane microporeuse plutôt que par le transport diffusif des solutés dans les particules de résines. Cette technique présente les avantages de diminuer les phénomènes de diffusion, de réduire les temps de séjour et les pertes de charge, et de permettre la purification rapide de quantités importantes de molécules. La chromatographie membranaire connaît un fort succès commercial. Une gamme importante de membranes chromatographiques mettant en jeu différents mécanismes de rétention (échange d’ions, affinité, etc.) et différentes géométries (feuille, spirale, etc.) est actuellement commercialisée. Malgré ce succès, différents aspects relatifs à la chromatographie membranaire restent mal connus. Cette thèse de doctorat se propose de répondre à certaines questions relatives à cette technique / Membrane chromatography (MC) is an alternative to traditional resin packed columns chromatography. The solute mass transport in the membrane occurs in convective through-pores rather than in stagnant fluid inside the pores of the resins particles, which is limited by the slow diffusive transport. MC offers the main advantage of reducing diffusion phenomena, shorter residence time and lowered pressures drops, and thus, facilitates rapid purification of large quantities of molecules. A wide range of chromatographic membranes involving different molecules retention mechanisms (ion exchange, affinity, etc...) is now commercialized. Despite their success, the influence of the geometry of the membrane chromatography devices remains relatively unexplored from a theoretical point of view. This doctoral thesis is aimed to clarify some ambiguous points related to this technique

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

Ce mémoire de thèse traite la problématique des émissions vibroacoustiques dès les premières phases de conception de machines électriques dans le but de mettre en œuvre des machines robustes, fiables et surtout efficientes répondant aux contraintes dans un large domaine d’applications et spécialement pour le véhicule électrique et hybride. Ce manuscrit ne s’intéresse pas seulement à l’identification et la mise en exergue de la problématique vibroacoustique mais surtout a apporté des solutions et des éléments de réponse à certaines contraintes. La problématique vibroacoustique étant trop vaste et trop complexe, ce travail de thèse se focalise sur les aspects vibroacoustiques d’origine électromagnétiques. Pour ce faire, les méthodes de réduction de bruit sont présentées mais seules les solutions de réduction passive sont évoquées. Ces solutions se basent sur le dimensionnement et la conception par optimisation de machines électriques performantes et moins bruyantes. Cela nous ramène au cœur de ce travail qui est le développement d’outils et de modèles multi-physique réunissant les critères de généricité, rapidité, précision et facilité de couplage. Dans ce cadre, plusieurs modèles électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques, et acoustiques sont présentés. Différentes stratégies de couplages et d’approches de modélisation sont investiguées. Des conclusions sont tirées à chaque fois en fonction des besoins pour le cas d’application. / This PhD thesis deals with the issue of vibroacoustic emissions from the first design phases of electrical machines in order to have robust, reliable and above all efficient machines that meet the constraints in a wide range of applications and especially electrical vehicles. This manuscript is not only interested in the identification and highlighting the vibroacoustic problem, but above all to brought solutions and response elements to certain constraints. Knowing that the vibroacoustic problem is too vast and complex, this thesis focuses on vibroacoustic aspects of electromagnetic origin. To do so, the methods of noise reduction are presented but only the passive reduction solutions are used. These solutions are based on the design and optimization of efficient and less noisy electrical machines. This brings us back to the core of this work, which is the development of tools and multi-physics models combining the criteria of genericity, speed, accuracy and simplicity of coupling. In this context, several electric, magnetic, mechanical, thermal and acoustic models are presented. Different coupling strategies and modeling approaches are investigated. Conclusions are drawn each time according to the needs for the application use case.