Les deux principaux problèmes à résoudre pour concevoir un simulateur dynamique interactif sont la détection de collisions entre les objets virtuels, et le calcul de leur mouvement contraint. La plupart des méthodes de détection de collisions sont discrètes : elles détectent seulement des interpénétrations entre les objets virtuels à des instants discrets successifs. Afin de détecter efficacement des collisions entre objets polyédriques rigides en continu, c'est-à-dire de calculer l'instant de premier contact entre eux et éviter les problèmes inhérents aux méthodes discrètes, nous proposons d'utiliser un mouvement intermédiaire arbitraire pour remplacer le mouvement réel de l'objet et obtenir des équations de détection de collisions faciles à résoudre. Nous présentons deux approches, fondées sur l'exploitation de mouvements intermédiaires arbitraires, qui permettent de détecter des collisions en continu entre objets polyédriques complexes en temps réel. Nous proposons ensuite d'ajouter des informations géométriques aux volumes englobants afin d'exploiter le mouvement de recul relatif des objets et accélérer significativement la détection de collisions lorsque les objets sont proches les uns des autres. La plupart des méthodes classiques de calcul de mouvement contraint sont formulées dans l'espace des contacts. Grâce au principe des moindres contraintes de Gauss, il est possible d'obtenir une formulation équivalente des problèmes dynamiques sans friction dans l'espace des mouvements. Nous montrons que cette formulation est plus avantageuse sur le plan algorithmique. Ceci nous incite à proposer un modèle de friction dans l'espace des mouvements. Les algorithmes proposés ont été implantés et rassemblés dans une librairie C++, CONTACT Toolkit. Nous présentons plusieurs applications de cette librairie, notamment à des cas industriels fournis par Renault et Airbus-EADS, ainsi que son utilisation dans la simulation avec retour d'efforts.

De nombreuses hypothèses sont classiquement utilisées pour décrire le comportement du fluide dans un contact lubrifié : film continu, viscosité constante dans l'épaisseur, film mince, fluide newtonien... Or, certaines s'avèrent erronées dès lors que l'on s'intéresse aux contacts Elasto- HydroDynamiques fortement glissants ou à la répartition du lubrifiant en sortie de contact. Une approche numérique originale, basée sur un retour aux équations de la mécanique des fluides générale et prenant en compte le couplage fluide/solide et les effets thermiques sont proposés ici dans le but d'apporter des éléments physiques supplémentaires aux modélisations usuelles. Dans un premier temps, l'influence des effets thermiques sur l'évolution du frottement dans les contacts Thermo-EHD est mise en évidence. La présence d'un minimum de frottement pour le cas du glissement pur est expliquée par l'analyse des transferts thermiques entre le lubrifiant et les solides. L'origine des modifications locales d'épaisseur de film observées et l'existence même d'une épaisseur de film lubrifiant pour les cas de vitesse d'entraînement nulle sont alors reliées à la présence d'un fort gradient de viscosité dans l'épaisseur de film. Une comparaison qualitative avec des éléments expérimentaux de la littérature est réalisée, validant les tendances obtenues. Dans un second temps, l'écoulement à surface libre du lubrifiant en périphérie du contact est étudié expérimentalement puis numériquement par une méthode à interface diffuse. Le rôle des effets capillaires est analysé et les résultats numériques confrontés à des résultats issus de la littérature. Un bon accord est obtenu tant qualitativement que quantitativement. Validé par l'étude numérique diphasique (air/lubrifiant) réalisée, un modèle analytique simplifié est alors développé, prédisant une loi de répartition du lubrifiant en sortie de contact. La zone de sortie des contacts EHD est ensuite traitée par un modèle de cavitation vaporeuse et la prise en compte nécessaire de l'air environnant est discutée. Enfin, une première modélisation tridimensionnelle de l'écoulement à surface libre du lubrifiant autour d'un contact ponctuel est réalisée mettant en avant l'influence des effets capillaires et la faisabilité d'une telle approche.

En termes d’économie d’énergie, la réduction de trainée revêt un intérêt indéniable. Dans certains cas, ce phénomène obtenu grâce à l’ajout dans le milieu de faibles quantités d’additifs peut atteindre une réduction du frottement à la paroi, en régime turbulent, allant jusqu’à 80% comparé au fluide seul. On le retrouve dans divers domaines d’applications telles quele transport des hydrocarbures et dans les circuits d’eau de chauffage et de refroidissement.Trois systèmes qui ont la capacité de s’autoorganiser en milieux aqueux ou organique ont été étudiés dans le but de vérifier leur possible aptitude à réduire le frottement hydrodynamique.On s’est intéressé à un polysavon (80C12) composé d’un squelette polystyrène auquel sont liées des amines tertiaires portant des chaines alkyles de 12 carbones. Ce composé forme des micelles dans l’eau dont la forme cylindrique a été mise en évidence par diffusion de la lumière et Cryo-MET. L’étude du transfert de masse sur une électrode à disque tournant et les résultats rhéologiques ont mis en évidence le caractère viscoélastique qui est responsable duphénomène de réduction de frottement hydrodynamique recherché.Des études rhéologiques réalisés sur les systèmes lécithine/décane et ionomère/toluène ont permis de mettre en évidence le caractère viscoélastique des associations anisotropes de ces composés. / In terms of energy saving, drag reduction hasan undeniable interest. In some cases drag reduction with additives can reach 80% compared to pure solvent. This phenomenon has applications in many fields suchas transportation of hydrocarbons and cooling and heating systems. Three systems which have the capacity to selforganizein aqueous or organic media have been studied in order to check their possible ability to reduce hydrodynamic friction.We worked on a polysoap (80C12) based on polystyrene skeleton to which tertiary amines bearing alkyls chains of 12 carbons. This compound formsmicelles in water whose cylindrical shape has been demonstrated by light scattering and Cryo-TEM. The studies of the mass transfer on a rotating disk electrode and the rheological results have showed for the 80C12solutions several characteristics attributed to the dragreducing additives.Rheological studies on the systems lecithin/decane and ionomers/toluene, highlight the viscoelastic properties of the anisotropic associations of these compounds.

Les Méthodes par Eléments Discrets apparaissent comme les méthodes les plus appropriées pour modéliser le caractère divisé. De nombreux travaux ont permis de mieux comprendre leurs comportements, mais dans certain cas se pose la question de l'impact du choix de la description volumique ou des lois d'interaction sur le comportement global du milieu. Dans ce contexte, en se basant sur l'approche "Non Smooth Contact Dynamic" permettant naturellement de mixer les différentes formulations, nous nous proposons de comprendre et d'analyser l'influence de cette description. Pour cela, nous utilisons deux applications différentes liées aux comportement quasi-statique (QS) des milieux granulaires et comportement dynamique des interfaces tribologiques. Au niveau de l'étude QS est faite en utilisant des essais de compression biaxiale et de cisaillement. Contrairement aux approches classiques, des particules déformables sont utilisées ici. Les résultats obtenus sont comparés en utilisant des outils de mesure tels que la relation contrainte-déformation, la compacité... Les résultats montrent qu'il n'est pas possible à partir d'une description rigide de converger vers des modèles déformables et souligne l'importance d'effectuer une analyse complète en tenant compte de la déformation des particules. Au niveau de la modélisation d'une interface tribologique s'intéresse à l'influence des conditions limites, des descriptions des premiers corps et du troisième corps sur la rhéologie de l'interface. Dans chaque simulation, frottement macroscopique, profils de vitesse et de contrainte sont observés. Les différents modèles utilisés ont peu d'influence sur la valeur du frottement mais plus d'influence sur les profils de vitesse au travers de l'épaisseur de troisième corps. Ceci souligne l'importante du choix du modèle lors de l'étude de la rhéologie de l'interface et montre qu'il est difficile d'obtenir des résultats génériques et ceci aussi bien en modèles bi que tridimensionnel. / The Discrete Element Methods are the most appropriate methods to model the divided feature of some media such as granular ones, masonries or contact interfaces... Many studies have provided a better understanding of their behavior, but in some cases the impact of both volume description (rigid or deformable) and interaction laws (elastic or plastic) is not negligible on the global behavior. The approach used here is based on the "Non Smooth Contact Dynamic" framework which mixes naturally the rigid and deformable formulations. One propose to analyze the influence of this description. For this purpose, two different applications are used, related to the quasi-static behavior of granular media and to the modelization of the tribological interface under dynamic solicitations.The study of quasi-static behavior of granular media is developed though biaxial compression test and shear test. Contrary to classical approaches, deformable particles are used. The results are compared using tools such as the stress-strain macroscopic relation, the compacity... They show that it is not possible to converge to deformable particle with a rigid description and underline the importance to performance full analyze with deformable description.The modeling of a tribological interface under dynamic solicitation focuses on the influence of boundary conditions, models of the first bodies and the third body on the rheology of the interface. In each simulation, the macroscopic friction, the velocity profile and stress profile are observed. The different models used have not a large influence on the friction value but a large influence on the velocity profiles. This underline the importance of the choice of the model when investigation are performed on the rheology of the third body.

La durée de vie en fonctionnement des pièces mécaniques peut être augmentée par la présence de contraintes résiduelles de compression. Inhérentes à la plupart des procédés de fabrication, contraintes résiduelles jouent un rôle sur la tenue en service des éléments mécaniques. La connaissance et la maîtrise de ces contraintes résiduelles et des procédés associés sont donc fondamentales. La mise en place de méthodes numériques performantes pour prédire ces contraintes résiduelles permettra à terme d'éviter de nombreux et coûteux essais et d'étudier l'influence des principaux paramètres. Cette thèse présente le développement et l'application de méthodes de calcul semi analytiques (SA) à la modélisation de procédés mécaniques de mise en compression des surfaces. Les méthodes SA, initialement développées pour la simulation des contacts élasto-plastiques, ont l'avantage de temps de calcul très significativement réduits par rapport aux méthodes numériques conventionnelles. Cette méthode est d'abord utilisée pour la simulation d'un procédé connu sous le nom de galetage, avec un chargement de type contact roulant. Enfin elle est utilisée pour la simulation d'impacts uniques puis répétés, et les développements associés présentés. Le contact roulant entre deux massifs élasto-plastiques, sans considération du frottement, est d'abord étudié. L'influence de la plasticité et du type d'écrouissage (isotrope ou cinématique), de la géométrie des massifs en contact (sphéres ou ellipsoides) et du type de chargement (indentation ou roulement) sur la pression de contact et les déformations plastique sont analysés. La simulation d'impacts est ensuite abordée. La méthode développée est tout d'abord validée numériquement, puis confrontée à l'expérience. Trois matériaux ont été plus particulièrement étudiés : 316L, AA 7010, et l'Inconel 600. Les dimensions des impacts ainsi que les déformations générées, mesurées par stéréo corrélation sont utilisées pour valider expérimentalement la méthode. Le procédé de billage ultrasonore a été tout particulièrement étudié. Dans un premier temps nous nous sommes attachés à la décrire la cinématique des billes dans une chambre fermée, mises et maintenues en mouvement par une sonotrode. L'utilisation de formules analytiques pour l'estimation des coefficients de restitution, lors des nombreux chocs entre les billes ou avec les parois de la chambre, a permis d'affiner le calcul des vitesses moyennes d'impact en fonction des paramètres du procédé. La méthode SA est ensuite utilisée pour déterminer le champ de déformations plastiques induits par les impacts. Enfin une méthode de projection est proposée pour permettre in fine la prédiction des contraintes résiduelles pour des structures fines ou épaisses. / The life time of mechanical components can be increased by the presence of compressive residual stresses. Inherent to most production processes, residual stresses play a critical role on the mechanical parts behaviour. The knowledge and mastering of residual stresses and linked processes are thus fundamental. The development of efficient numerical methods to predict these residual stresses will allow to save costly experiments and to study the influence of the main parameters. This PhD presents the development and application of semi analytical methods (SAM) to the modelling of mechanical processes of compressive residual stress generation. The SAMs, initially developed for the simulation of elasto-plastic contacts, have the advantage of significantly low computation time compared to classical numerical methods. This method is first used to simulate the low plasticity burnishing process, with a rolling loading. Then, it is used for the simulation of impacts, first unique and then repeated. The frictionless rolling contact between two elasto-plastic bodies is first studied. The influence of plasticity, of the hardening model (isotropic or kinematic), of the geometry of the bodies in contact (spheres or ellipsoids) and of the loading type (indentation or rolling) on the contact pressure and plastic strains are analysed. Impacts simulation is then addressed. The developed method is first validated numerically then confronted to experimentations. Three materials have been particularly studied: 316L, AA 7010 and Inconel 600. The impacts dimensions and the generated strains, measured by digital image correlation, are used to validate experimentally the method. The ultrasonic shotpeening process has been specifically studied. The description of the kinematics of the shots put in movement by a sonotrode in a closed peening chamber has first been studied. The use of analytical formulae for the estimation of the coefficients of restitution, during the numerous impacts between shots and with the chamber’s walls, allowed refining the calculation of the average impact velocity as a function of the process parameters. The SAM is the used to determine the plastic strain field induced by the impacts. At last a projection method is proposed to finally determine the residual stress field in thick or thin structures.

De nos jours, le respect de l'environnement est une obligation dans le cadre de travaux maritimes. Les caissons en béton verticaux à plaques poreuses sont souvent la solution technique privilégiée pour agrandir les ports existants et / ou améliorer l'agitation des bassins. L'empreinte au sol est réduite et la demande en matériaux de carrière est moins importante par rapport aux digues en enrochement classiques. Récemment, des systèmes alternatifs aux caissons en béton verticaux ont été conçus. Les structures amortisseuses de la houle à enrochements verticalisés sont constituées d'une structure métallique entourant des blocs. Ce type de structure offre des avantages environnementaux, une perméabilité aux courants et une bonne performance hydrodynamique. Ce travail de thèse visait à développer un nouveau code 3D-BEM facile à utiliser et intégrant les écoulements en milieux poreux. Des géométries innovantes sont testées comme des gabions espacés avec une chambre d’expansion ou un mélange de plaques poreuses et de milieux poreux.La description des écoulements dans un milieu poreux est une question complexe. Navier-Stokes moyenné au sens de Reynolds (RANS) est le processus mathématique communément utilisé pour modéliser les écoulements en milieux poreux. Ce dernier est considéré comme un milieu continu homogène. L'équation bien connue de Forchheimer étendue décrit les forces volumiques appliquées à l'écoulement par un milieu poreux à travers des coefficients de résistance et d'inertie. Ces recherches ont été l’occasion d’examiner ces coefficients, notamment celui d'inertie mal connu dans le cas d’un milieu poreux. Il joue un rôle majeur pour les écoulements à très faible KC se produisant dans les couches internes des digues poreuses. Une analyse de la littérature sur les écoulements de milieux poreux a été entreprise. Le code numérique appelé Diffra3D a été développé. Il a ensuite été utilisé pour rechercher des coefficients de résistance de milieux poreux à l'aide de données provenant de trois campagnes expérimentales : un test de sloshing sur hexapode et deux études classiques de transmission/réflexion en canal à houle. Celles-ci ont également été l'occasion de tester et de calibrer le code. De nouvelles géométries de structures poreuses ont ensuite été testées expérimentalement et numériquement.Deux nouvelles valeurs de coefficients de résistance d'un milieu poreux sont proposées pour les écoulements à très faibles KC. Certaines caractéristiques intéressantes concernant le coefficient d'inertie CM d'un milieu poreux sont également développées. Ce sujet de recherche mériterait encore d’être approfondi pour tenter de trouver une ou plusieurs loi(s) empirique(s) décrivant l’évolution du coefficient d'inertie dans ce régime spécifique d’écoulement. Le code Diffra3D fonctionne de façon satisfaisante pour modéliser les écoulements en milieu poreux. Il est cependant limité aux vagues à faibles cambrures. Tout l'enjeu est de bien caractériser le milieu poreux étudié. L'utilisation de Diffra3D a permis de montrer que les structures poreuses verticales innovantes, telles que les gabions espacés, ont entièrement leur place en tant que digues amortisseuses de la houle respectueuses de l'environnement. Elles pourraient être couramment utilisées dans le futur. / Nowadays the respect of the environment is an obligation in maritime works. Vertical concrete caissons with porous plates are often the number one technical solution to enlarge existing ports and/or to improve the agitation of the basins. The footprint is reduced and the demand in quarry materials is less important compared to classical riprap breakwaters. Recently, alternative systems to vertical concrete caissons have been designed. Vertical riprap breakwaters are made of a metal framework enclosing blocks. This kind of structure offers environmental benefits, permeability for currents and a good hydrodynamic performance. This thesis work looks at developing a new 3D-BEM code that is easy to use and integrates porous media. Innovative geometries are tested like spaced gabions with damping chamber or a mix of porous plates and porous media.Describing flows in porous media is an complex issue. Volume averaging method is the common mathematical process used to model porous media flows without drawing every grain of a porous medium. The well-known extended Forchheimer equation describes the volumetric forces applied to the flow by a porous medium through resistance and inertial coefficients. These researches were the occasion to look into this coefficients, especially the one of poorly understood inertia in the case of a porous medium. It plays a major role in very low-KC flows currently occurring in porous breakwaters apart from armour layer.First, a literature review on porous media flows was undertaken. In parallel, the numerical code called Diffra3D was produced. It was then used to look for resistance coefficients of porous media through data coming from three experimental campaigns : one sloshing test on hexapode and two classical reflection-transmission studies in a wave tank. These campaigns were also the occasion to test and calibrate the code. New geometries of porous structures were then tested experimentally and numerically. Two new values of resistance coefficients of a porous medium are proposed. Some interesting features concerning the inertia coefficient CM of a porous medium are also developed. In simulations, we observe that the hydrodynamic behaviour of porous structures in low-KC flows is very sensitive to the coefficient of inertia. This research topic would still deserve further studies in order to find empirical law(s) for the inertia coefficient of a porous medium. The code Diffra3D performs well to model porous media flows. However, it is limited to waves with low steepness. The challenge is to properly characterise the porous medium. This research has shown that innovative porous structures like spaced gabions have proven their place as environmentally-friendly damping breakwaters. They may be commonly used in the future.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR (Agence National de la Recherche) "Flowres" ayant pour objectif d’améliorer la prédiction des crues extrêmes. Il a récemment été démontré que le dérèglement climatique tend à augmenter la fréquence et l’intensité de ces événements extrêmes, provoquant ainsi de nombreux dégâts, notamment dans les zones urbaines. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier les configurations extrêmes, où une "canopée urbaine" est faiblement immergée. Cette étude repose sur une série de mesures expérimentales réalisées en canal hydraulique à surface libre, dans lequel différentes profondeurs de canopée et niveau d’immersion ont été considérées. Les canopées étudiées sont composées d’alignements d’éléments prismatiques. La première partie de ce travail à consister à élaborer le dispositif expérimental permettant d’acceder à la structure complète D de ces écoulements. Pour cela, un dispositif de PIV 2D-2C a été mis en place, couplé à l’utilisation de moyens techniques sophistiqués, comme des prismes transparents en verre BK7 ainsi qu’une optique télécentrique. Ce dispositif a permis d’obtenir des statistiques hautement résolues tant temporellement que spatialement, et ont aussi permis d’étudier la sensibilité de ces statistiques à l’échantillonnage spatial. Une fois le système de mesure mis en place, l’effet de l’immersion et de la profondeur de canopée sur la structure verticale 1D de ces écoulements a ensuite été étudiée. Les résultats montrent que la structure d’un écoulement dans une canopée profonde (k/` = 6) fortement immergée peut être décrite par différentes couches (sillage, couche de mélange, couche logarithmique). Cependant, la diminution de l’immersion et/ou de la profondeur de canopée tend à forcer les interactions entre les couches, et en supprimer certaines dans certains cas. De plus, on remarque que pour de très faibles immersions, le tenseur total devient négatif. Afin de comprendre et caractériser ce phénomène inattendu, une analyse par quadrant du tenseur de Reynolds a été effectuée. Dans le cas d’écoulements fortement immergés, les éjections (Q 2 ) et les balayages (Q4 ) contribuent majoritairement à l’écoulement. Cependant, la diminution de l’immersion est accompagnée d’une augmentation importante d’événements Q 3 dans la canopée, conduisant à un tenseur de Reynolds négatif pour des cas extrêmes. Pour finir, la compréhension de ces écoulements turbulents par l’intégration des profils verticaux 1D a permis de déterminer les lois de frottement globales associées. Il a été montré qu’il est nécessaire de définir correctement les grandeurs utilisées pour le coefficient de frottement f 0 , comme une vitesse débitante prenant en compte la porosité de la canopée ou encore une vitesse de frottement u 0 basé sur le fond du canal et non sur le sommet des prismes. On observe une corrélation entre l’immersion de la canopée et le coefficient de frottement f 0 . De plus, deux comportements distincts semblent émerger pour les faibles (h/k < 4) ou fortes (h/k > 4) immersions. / This PhD work is part of the ANR project "Flowres" where aims is to improve the prediction of nextreme flood events. It has been shown that the climate change will increase the frequency and intensity of these extreme events, leading to major damages, especially in urban areas. The objective of this PhD was to investigate extrem configurations where urban canopy is weakly submerged. This work is based on experimental analysis carried out in a hydraulic open-channel flume in which various canopy depth and submergence levels were investigated. The canopies were built by alignment of prismatic roughness elements. The first part of this PhD work aimed at developping the experimental set-up allowing to obtain the complete structure of the flow. To this end, a PIV 2D-2C apparatus was used, paired with the use of advanced technical tools, such as prisms of BK7 glass and a telecentric optics. This set-up has enabled to obtain highly converged statistics (spatially and temporally), allow an investigation of sensitivity of these statistics to the spatial sampling. Once the experimental set-up designed, the effect of the flow immersion and of canopy depth on the 1D vertical structure was then investigated. Our results have shown that the flow structure of a depth canopy with an high submergence can be described by different (layers wake layer, mixing layer, logarithmic zone). A decrease of the submergence and/or the canopy depth increase interactions between the different layers, and sometimes, cancel it. Additionally, for some low submergence flow regimes, the total stress becomes negative. In order to understand and better characterize this unexpected result, we performed a quadrant analysis of the Reynolds stress. In the case of highly submerged flow, ejections (Q 2 ) and sweeps (Q 4 ) mostly contribute to the flow. By contrast, the decrease of the submergence is coupled with an significant increase of the Q3 event within the canopy. It can lead to a negative Reynolds stress in some flow regimes. Finally, the understanding of turbulent flows through integration of the 1D vertical profiles allowed calculation of thes associated global friction law. It has been shown that it is necessary to properlydefine the quantities used for the friction coefficient f 0 , such as a flow rate taking into account the porosity of the canopy, and a speed of friction u 0 based on the bottom of the channel (and not on the top of the prisms). There is a correlation between canopy submergence and the coefficient of friction f 0 . Moreover, two different behaviour appear for low submergence (h/k < 4) or high submergence (h/k > 4).

Réussir le forage d'un puits pétrolier le plus rapidement possible et à moindre coût est devenu un défi continu pour les professionnels du secteur. Pour relever ce défi, un bon dimensionnement des installations de forage s'impose. La meilleure prédiction des pertes liées aux frottements entre la garniture de forage et les parois du puits, notamment pour les puits à trajectoires fortement déviées, est un atout majeur pour ce dimensionnement. <br/>Les modèles usuels de prédiction des frottements montrent certaines insuffisances lorsque la trajectoire du puits se complexifie. Un nouveau modèle de calcul de frottements dans les puits de forage à trajectoires complexes a été développé et validé. Ce modèle utilise une méthode tridimensionnelle de reconstitution de la trajectoire intégrant à la fois la courbure et la torsion géométrique. Contrairement aux modèles classiques, qui supposent simplement que la garniture repose par gravité sur la paroi basse du trou de forage et qui négligent souvent la rigidité des tiges, le nouveau modèle rigide calcule la vraie déformée de la garniture de forage à l'intérieur du trou via un algorithme itératif de contact unilatéral. En outre, pour un gain important du temps de calcul, le modèle se base sur une intégration numérique directe des équations d'équilibre local sans avoir recours à la méthode des éléments finis.<br/>La comparaison avec un modèle couramment utilisé dans l'industrie de forage, appelé modèle LISSE, a été effectuée sur plusieurs puits réels et théoriques. Il ressort de cette comparaison que le nouveau modèle vient palier plusieurs faiblesses du modèle LISSE dans le cas des trajectoires à géométrie complexe (surestimation des zones de contacts et des forces de contact en présence de micro-tortuosité, non sensibilité au signe du gradient d'azimut en présence de fort gauchissement, hypothèse de contact sur la paroi basse du trou pas toujours vérifiée). Par ailleurs, la confrontation avec les mesures du terrain pour la plupart des puits à géométrie bidimensionnelle ou faiblement tridimensionnelle avec des faibles dog legs (ne dépassant pas 2 à 3°/30 m) fournit généralement des concordances entre les résultats des deux types de modèles et les valeurs mesurées. En revanche, en présence de tortuosités et dog legs locaux le nouveau modèle fournit une meilleure prédiction des pertes en frottement.

Cette thèse concerne l’étude des contacts pivotants rencontrés à la conjonction collet-rouleau, entre la bague d’un roulement et le flanc d’un rouleau. L’orientation principale de l’écoulement du lubrifiant peut changer lorsque le contact est mis à l’oblique. Cette cinématique complexe influe sur le comportement du contact. Elle est donc étudiée par une approche duale, expérimentale et numérique. Le banc d’essai Tribogyr permet l’expérimentation du contact à l’échelle 1:1. Une méthode pour la mesure de l’épaisseur du film lubrifiant par interférométrie optique en lumière blanche a été développée sur le banc d’essai et rend possible la mesure d’épaisseurs entre 0 et 800 nm, avec une résolution de quelques nanomètres. La mesure des efforts dans le sens de l’écoulement montre des similitudes avec les contacts de type roulement-glissement bien que le coefficient de frottement soit globalement plus faible. Les efforts transverses ont des valeurs du même ordre de grandeur que les efforts longitudinaux. Ils sont dus au cisaillement transverse induit par le pivotement. Un modèle numérique a été développé dans le but de simuler ces contacts pivotants. Le modèle inclut le calcul des températures et la rhéologie non Newtonienne du lubrifiant dans une stratégie de résolution par éléments finis, totalement couplée. La validation avec des résultats expérimentaux issus de Tribogyr, en épaisseur de film et en frottement, a été effectuée. Il est montré que l’épaisseur de film chute lorsque le pivotement et l’obliquité cisaillent le fluide, entraînant des effets rhéo-fluidifiants et thermo-fluidifiants. En cas de fort pivotement, le lubrifiant sortant peut être réinjecté à nouveau vers l’intérieur du contact et les transferts de chaleur entre lubrifiant et solides en sont fortement perturbés. Une forte obliquité entraîne à la fois la formation d’une augmentation locale de l’épaisseur de film et peut aussi provoquer la sous-alimentation du contact. Plusieurs campagnes expérimentales couplées à l’utilisation intensive du modèle numérique ont permis de comprendre les phénomènes physiques entrant en jeu et de prévoir l’efficacité, en terme de pertes de puissance, d’un contact pivotant. / This thesis is devoted to the study of spinning contacts located in bearing between the roller-end and the ring flange. The main direction of the lubricant flow may change when the contact is subjected to skew. This complex kinematics influences the contact behaviour. A dual experimental-numerical approach is proposed to study this problem. The Tribogyr test-rig allows the experimentation of the contact at the 1:1 scale. A film thickness measurement method, based on white light interferometry, was developed on Tribogyr. This method allows the measurement of film thickness between 0 and 800 nm with an accuracy of a few nanometres. The measurement of forces in the main flow direction shows similarities with classical rolling-sliding contacts. However, the friction coefficient is globally lower as soon as spin is involved. Transverse forces are of the same order of magnitude as the longitudinal forces. This is due to transverse shearing caused by the spin. A numerical model has been developed for the simulation of these spinning contacts. The finite element model, which is based on a fully-coupled solving strategy, takes into account the temperature calculation and the lubricant non-Newtonian rheology. Its validation with Tribogyr experimental results in terms of film thickness and friction has been conducted. Spin and skew effects induce high shear-thinning and thermal-thinning of the lubricant that lead to a decrease of the film thickness. Under high spinning condition, the lubricant exiting the contact may be re-injected to the contact inlet. Consequently, the heat transfers between the lubricant and the solids in contact are modified. In contact subjected to high skew, a local increase (dimple) of the film thickness may occur. Important skew may also lead to starvation conditions. Many experimental campaigns, coupled with an intensive use of the numerical model, allowed to understand the physical phenomena involved as well as to predict the efficiency, in terms of power losses, of the spinning contacts.

De nombreuses hypothèses sont classiquement utilisées pour décrire le comportement du fluide dans un contact lubrifié : film continu, viscosité constante dans l’épaisseur, film mince, fluide newtonien… Or, certaines s’avèrent erronées dès lors que l’on s’intéresse aux contacts Elasto- HydroDynamiques fortement glissants ou à la répartition du lubrifiant en sortie de contact. Une approche numérique originale, basée sur un retour aux équations de la mécanique des fluides générale et prenant en compte le couplage fluide/solide et les effets thermiques sont proposés ici dans le but d’apporter des éléments physiques supplémentaires aux modélisations usuelles. Dans un premier temps, l’influence des effets thermiques sur l’évolution du frottement dans les contacts Thermo-EHD est mise en évidence. La présence d’un minimum de frottement pour le cas du glissement pur est expliquée par l’analyse des transferts thermiques entre le lubrifiant et les solides. L’origine des modifications locales d’épaisseur de film observées et l’existence même d’une épaisseur de film lubrifiant pour les cas de vitesse d’entraînement nulle sont alors reliées à la présence d’un fort gradient de viscosité dans l’épaisseur de film. Une comparaison qualitative avec des éléments expérimentaux de la littérature est réalisée, validant les tendances obtenues. Dans un second temps, l’écoulement à surface libre du lubrifiant en périphérie du contact est étudié expérimentalement puis numériquement par une méthode à interface diffuse. Le rôle des effets capillaires est analysé et les résultats numériques confrontés à des résultats issus de la littérature. Un bon accord est obtenu tant qualitativement que quantitativement. Validé par l’étude numérique diphasique (air/lubrifiant) réalisée, un modèle analytique simplifié est alors développé, prédisant une loi de répartition du lubrifiant en sortie de contact. La zone de sortie des contacts EHD est ensuite traitée par un modèle de cavitation vaporeuse et la prise en compte nécessaire de l’air environnant est discutée. Enfin, une première modélisation tridimensionnelle de l’écoulement à surface libre du lubrifiant autour d’un contact ponctuel est réalisée mettant en avant l’influence des effets capillaires et la faisabilité d’une telle approche. / Classically, many assumptions are used to model the fluid behaviour in a lubricated contact : continuous film, constant viscosity across the film thickness, film thickness is very thin compared to other contact dimensions, Newtonian lubricant... However, some of them are not well-founded for the study of Elasto-HydroDynamic contacts with high sliding or to estimate the liquid distribution at the exit of the contact. An original numerical approach, based on the general fluid mechanics equations and taking into account the fluid/solid coupling and thermal effects, is developed here in order to give more physical insights to the usual modelling. First of all, the thermal effects are shown on the friction coefficient evolution for Thermo- EHD contacts. A minimum value is found concerning the friction value for the pure sliding case. It is explained by analyzing the heat transfer between the solids and the lubricant. The origin of the resulting local modifications of the film thickness and the existence of a film thickness for zero entrainment velocity cases are related to the presence of a high viscosity gradient through the film. A qualitative comparison is performed with experimental data from literature, validating the results. Second, the free surface flow of the lubricant around the contact is experimentally and numerically studied with a diffuse interface method. The capillary effects on the air/lubricant meniscus position are analyzed and quantitatively compared with experimental data from literature. Good agreements are found. An analytical approach is then developed, based on the numerical study of the two-phase flow. An analytical law predicting the liquid distribution is obtained. The exit area of EHD contacts is then investigated with a vaporous cavitation model highlighting the necessity of taking into account the effects of surrounding air and surface wettabillity. Finally, a first approach of the tri-dimensional two-phase flow is performed, showing the capillary effects on the interface location.