Dans ce manuscrit, nous parlons des matériaux composites à matrice céramiques (CMCs) qui sont envisagés pour intégrer les chambres de combustion de futurs moteurs aéronautiques civils. Pour faire face des conditions extrêmes, ces matériaux possèdent la particularité de s’auto-protéger vis-à-vis de l’oxydation par la formation d’un oxyde passivant qui limite la diffusion des espèces oxydantes au sein des fissures matricielles. Nous modélisons l’écoulement d’un oxyde dans une fissure par l’équation de Navier-Stokes, puis les mettons sous forme non dimensionnelles, et les dérivations de deux types de modèles sont intéressantes : les modèles de Saint-Venant et les modèles de lubrification. Ensuit nous nous engageons à chercher l’existence de solution faible de l’approximation de lubrification d’ordre 4 obtenue précédent dans le cas uni-dimensionnel. Enfin nous précisons la limite entre les équations de Saint-Venant et l’équation de lubrification. / In this work, we are interested in the ceramic matrix composite materials(CMCs) who will be used to integrate the combustion chambers of future civil aeronautical engines. To face extreme conditions, these materials possess the peculiarity to auto-protect itself towards the oxidation by the formation of an oxide passivate which limits the distribution of the oxidizing species within the matrix cracks. We model the flow of an oxide in a crack by the Navier-Stokes equation, then put them under an asymptotic analysis in order to get two types of asymptotic models : models of Saint-Venant (Shallow water model) and lubrication models. Next we are interested in looking for the existence of weak solution to the one-dimensional approximated lubrication equation of order 4 obtained before. Finally we talk about the limit between the Saint-Venant equations and the lubrication equation.

La friction entre les surfaces mobiles de l’organisme peut être un problème difficile à résoudre, notamment dans les pathologies dégénératives comme l’arthrose ou la sécheresse oculaire. Malgré le développement de nombreux produits pharmaceutiques, les matériaux actuellement utilisés pour protéger les tissus blessés et les dispositifs biomédicaux contre l'usure par frottement sont encore limités dans leurs performances. Il existe un besoin urgent de matériaux injectables capables de protéger ces tissus et dispositifs afin de prolonger leur durée de vie et de traiter efficacement des maladies dégénératives. Parmi les innovations de la dernière décennie, les polymères à structure dite « en brosse » (BBs) se sont révélés prometteurs pour amoindrir les problèmes de friction et d'usure. Inspirés de l’architecture spécifique du protéoglycane 4, l'un des principaux composants lubrifiants du cartilage, les macromolécules BBs sont constituées d’un squelette linéaire et de chaînes latérales formant une brosse dense pouvant maintenir de l’eau sous une pression élevée. Les différentes structures des BBs, selon le squelette et leurs chaînes latérales, conduisent à plusieurs caractéristiques morphologiques et propriétés tribologiques intéressantes dans l’ingénierie tissulaire. Bien que leurs propriétés lubrifiantes aient été prouvées dans plusieurs études, les BBs n’ont à ce jour que peu d’applications. D’une part, la corrélation entre leur structure et leurs propriétés physicochimiques n’est pas encore clairement établie. D’autre part, il manque encore des études relatives à l’efficacité des BBs sur de vrais tissus. Pour pallier ce problème, notre projet vise à caractériser les propriétés physicochimiques et tribologiques des BBs sur différents types de surfaces en fonction de leur structure. La longueur du squelette, la densité de greffage et l’addition du groupe d’ancrage sont les 3 variables principales étudiées dans ce projet. La lubrification ainsi que d’autres propriétés importantes des BBs ont été évaluées sur les surfaces molles des cartilages, des yeux et des lentilles en contact. Les tests tribologiques ont été menés en utilisant un appareil à force de surface (SFA) via l’association du protocole classique et avancé qui l’adapte aux surfaces testées. A côté de la tribologie, l’affinité cinétique, la toxicité, les propriétés antisalissure et anti-inflammatoire des BBs sur les interfaces ont aussi été étudiées dans ce projet via les techniques de LigandTracer et de microscope fluorescent. / Friction between the body's moving surfaces can be a difficult problem to solve, particularly in degenerative pathologies such as osteoarthritis or dry eye. Despite the development of numerous pharmaceutical products, the materials currently used to protect injured tissues and biomedical devices against frictional wear are still limited in their performance. There is an urgent need for injectable materials capable of protecting these tissues and devices in order to extend their life and effectively treat degenerative diseases. Among the innovations of the last decade, polymers with a so-called "brush structure" (BBs) have shown promise in reducing friction and wear problems. Inspired by the specific architecture of proteoglycan 4, one of the main lubricating components of cartilage, BBs macromolecules consist of a linear backbone and side chains forming a dense brush capable of holding water under high pressure. The different structures of BBs, depending on the backbone and their side chains, lead to several morphological features and tribological properties of interest in tissue engineering. Although their lubricating properties have been proven in several studies, BBs have few applications to date. On the one hand, the correlation between their structure and physicochemical properties has not yet been clearly established. On the other hand, studies on the effectiveness of BBs on real tissues are still lacking. To overcome this problem, our project aims to characterize the physicochemical and tribological properties of BBs on different types of surfaces, depending on their structure. Backbone length, graft density and anchoring group are the 3 main variables studied in this project. Lubrication and other important properties of BBs were evaluated on the soft surfaces of cartilages, eyes and contact lenses. Tribological testing was carried out using a Surface Force Apparatus (SFA) via a combination of the classic and advanced protocol, adapting it to the surfaces tested. Alongside tribology, the kinetic affinity, toxicity, anti-fouling and anti-inflammatory properties of BBs on interfaces were also studied in this project via LigandTracer and fluorescent microscopy techniques.

Le contact Segment-Piston-Chemise (SPC) est essentiel pour la réduction des émissions de CO2 et de polluants dans les moteurs automobile. Pour optimiser ces deux contraintes antagonistes, il est nécessaire d’étudier l’influence de la microgéométrie afin de trouver de nouvelles architectures de ce contact. L’étude expérimentale étant très coûteuse, il est impératif de pouvoir modéliser les performances du contact SPC. Les méthodes multigrilles permettent de réduire considérablement les temps de calcul. Pour le contact SPC, les méthodes multigrilles classiques perdent leur efficacité en présence de texture. Un nouvel algorithme, basé sur des idées développées par Alcouffe et al. a été conçu qui permet l’étude du contact hydrodynamique en présence de texturation importante. Il a été validé par comparaison avec un modèle analytique 1D, ses performances ont été étudiées et une première étude de l’influence des paramètres sur la portance pour une surface striée a été faite. L’algorithme a ensuite été modifié pour imposer la conservation des flux. Un processus de relaxation plus proche de la physique du phénomène est utilisé. Le code obtenu n’atteint pas l’efficacité multigrille optimale. Cependant sa convergence est suffisamment rapide pour étudier l’influence de pores pour le segment plat et montrer l’importance d’une texturation partielle. Pour finir, le terme transitoire de l’équation de Reynolds est pris en compte. Pour un segment parabolique et une chemise striée, l’influence des paramètres des stries (profondeur, largeur, distance et angle des stries) sur la variation moyenne de la hauteur de film par rapport à une surface lisse est analysée. / The piston ring cylinder liner (PRCL) contact is essential in the CO2 and pollutant emission reduction in internal combustion engine. These two constraints being antagonistic, a compromise has to be found and it is necessary to study the microgeometry influence in order to find new PRCL contact architectures. As experimental study can be very expensive, modeling PRCL contact performance becomes crucial. Multigrid methods allow a huge reduction of the computational time. Unfortunately, in presence of texture, classical multigrid efficiency decays significantly and are not usable. A new algorithm based on an approach developed by Alcouffe et al. was designed that allows the study of the hydrodynamic lubrication of this contact even in the case of a highly varying geometry due to the texture. The obtained code was validated by comparison with a 1D analytical model, its performance was evaluated and a first study of an analytic cross hatched geometry parameter influence on the load carrying capacity was completed. The code was modified to include flow conservation. A relaxation process based closer to the physics phenomenon is used. The code efficiency is not the one that is expected from multigrid technics. However it convergence is sufficiently fast to study the dimple influence for the oil control ring and show the importance of partial texturing. Finally the transient term of the Reynolds equation is accounted for. In the case of a parabolic ring and for a cross hatched liner, the influence of the groove parameters ( depth, width, distance and groove angle) on the average minimum film thickness with respect to the smooth case is analyzed.

Depuis plusieurs années à nos jours, les paliers à gaz sont utilisés avec succès sur une large gamme de turbo-machines. Certains de ces systèmes sont utilisés dans des environnements de contrôle de l’environnement par gaz réfrigérant. Dans ce travail, nous présentons un modèle théorique et numérique qui tient compte de la transition du lubrifiant vapeur / liquide, la transition de l’écoulement laminaire / turbulent et les variations 3D de la viscosité et de la température dans le fluide et les solides pour les deux situations statiques et dynamiques. Ce modèle comporte : la résolution de l'équation de Reynolds généralisée pour les fluides compressibles à viscosité variable en 3D, la description des effets de la turbulence en utilisant l'approche phénoménologique de Elrod, en utilisant un champ de viscosité turbulente 3D, la résolution de l’équation d’état non linéaire du lubrifiant, capable de décrire la transition vapeur / liquide et une approche thermique local afin d'obtenir une estimation 3D de la température du fluide, grâce à l'équation d'énergie pour film mince. La prise en compte également des effets thermiques dans les solides. Dans cette étude, nous avons montré l'importance d'une description précise des paramètres du film fluide, dont les variations influencent largement le comportement du palier. Parmi les principales théories, il y a: lubrifiant compressible, avec un comportement non-linéaire près de la transition vapeur / liquide, la transition vapeur / liquide et le calcul des paramètres équivalents du mélange, un écoulement turbulent du fluide pour le palier GFB à grande vitesse en utilisant un modèle 3D de la viscosité turbulente, un comportement 3D pour la viscosité, en particulier les variations inter-films (dépendant de la température), et un comportement 3D pour la température, en particulier dans le sens transversal du film afin d'être compatible avec la viscosité, mais également dans la direction axiale afin de tenir en compte du gradient de température potentiel qui modifie considérablement le profil 3D de la température du palier. Ces deux comportements statiques et dynamiques du palier compliant GFB sont analysés. / For years now, gas bearings are successfully used over a large panel of turbo-machineries. Some of these systems are bound to be run in controlled environments such as refrigerating gas. In this work we present a theoretical and numerical model which takes into account the vapor/liquid lubricant transition, the laminar/turbulent flow transition and both temperature and viscosity 3D variations in the fluid and the solids for both static and dynamic situations. This model involves: the resolution of the generalized Reynolds equation for compressible fluids with 3D variable viscosity, the description of the turbulence effects by the phenomenological approach of Elrod, using a 3D eddy viscosity field, the resolution of a non-linear equation of state for the lubricant, able to describe the vapor/liquid transition and a local thermal approach to obtain a 3D estimation of the fluid temperature, thanks to the thin-film energy equation. The thermal effects in solids are also taken into account. In this study, we showed the importance of an accurate description of the film parameters, which variations largely influence the bearing behaviour. Among the principal theories, there are: compressible lubricant, with an appropriate non-linear behaviour when close to the vapor/liquid transition, vapor/liquid transition and calculation of the mixture equivalent parameters, turbulent flow for high-speed GFBs with a 3D eddy viscosity mode, a 3D behaviour for viscosity, particularly the cross-film variations, (temperature dependent)and a 3D behaviour for temperature, particularly in cross-film direction in order to be consistent with viscosity, but also in the axial direction in order to account for potential temperature gradient which considerably modifies the bearing 3D temperature profile. Both static and dynamic behaviours of GFBs are analysed.

Dans un marché aéronautique en plein essor marqué par une croissance rapide du parc d’avions utilisées à travers le monde, l’optimisation de la maintenance devient une préoccupation pour les avionneurs. Il s’agit de maximiser la disponibilité des aéronefs tout en réduisant les couts directs d’exploitation sans compromis sur la sécurité des hommes et en respectant les contraintes environnementales. Une stratégie possible pour relever ce challenge est de renforcer la capacité à anticiper les défaillances afin de recourir à des actions préventives le plus juste possible sur les composants les plus critiques comme les roulements à billes. La mise en œuvre de processus de Prognostic Health Management (PHM) prend ainsi une part grandissante et le processus de pronostic est considéré comme l’un des principaux leviers d’action. Son déploiement requiert que le comportement du système étudié puisse être observés. Il peut ainsi bénéficier de l’apport des récentes avancées dans le domaine des microsystèmes autonomes en énergie permettant des mesures intelligentes et un transfert de données d’une manière distribuée, sans aucune aide externe. L’association de ses deux champs de recherche mène naturellement vers le roulement intelligent qui pourrait être la transition d’une maintenance programmée à une maintenance prédictive. Cependant les solutions de PHM autour du roulement et le roulement intelligent, ne restent pas moins le fruit de l’évolution des techniques et technologies de surveillance, de récupération d’énergie et de connectivité. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce mémoire de thèse par Validation des Acquis de l’Expérience (VAE). Il s’articule en trois parties principales : motivations du VAE, état de l’art autour du roulement mécatronique et exemple de contributions autour de la récupération d’énergie et la communication sans fil à des fins de surveillance. / The aeronautic market is growing and the aircraft fleet size is becoming bigger. Maintenance optimization is a key focus for liner since objectives are to maximize the aircraft availability and to reduce the direct cost of ownership with no compromise on the flight security and safety with respect to environmental standards. To meet this challenge one possible strategy is to apply a PHM approach using the recent advance in the autonomous embedded microsystem field. This PhD work presents some work done around energy harvesting and wireless sensor to enable a smart bearing able to measure the usage and health data from the component in the purpose of predictive mainteance.

Cette thèse porte sur l’amélioration du laminage à chaud, un procédé de fabrication sidérurgique permettant de transformer une brame de métal (10m de long, 1.5m de large et 250mm d’épaisseur) en une bande de tôle bobinée (1000m de long, 1m de large et 2mm d’épaisseur). Afin d’obtenir certaines propriétés mécaniques et de faciliter la phase de laminage, la brame est réchauffée à 1300°C et dégrossi avant d’être envoyé vers le train finisseur où elle est laminée en passant successivement dans plusieurs cages (ensemble de cylindres qui écrasent le métal) et qui permettent de réduire l’épaisseur à la valeur finale souhaitée. Le produit est finalement refroidi puis bobiné avant d’être envoyé au client. La thèse se focalise sur l’amélioration du train finisseur en proposant un contrôle du frottement entre la bande et les cylindres de travail à l’aide d’une lubrification. La lubrification consiste à déposer de l’huile sur le cylindre en vaporisant une émulsion d’eau et d’huile. L’huile déposée modifie l’interface entre la bande et le cylindre et diminue le coefficient de frottement. Cette diminution du coefficient de frottement a plusieurs avantages : elle permet de réduire l’usure des cylindres, d’améliorer l’état de surface de la bande, de réduire l’effort nécessaire de laminage donc la consommation d’énergie et d’augmenter la capacité du train. A l’inverse, un frottement trop bas dû à une lubrification trop importante peut causer un patinage de la bande entrainant l’arrêt du train. Il est donc important de contrôler le niveau de frottement de manière sécurisée. La conception du contrôle s’est faite à travers deux principales étapes : La modélisation et l’identification de l’effet de la lubrification sur le coefficient de frottement, la conception du contrôle du frottement / This thesis is about the improvement of the hot rolling process. This steelmaking process turns a slab (10m long, 1.5m wide, 250mm thick) into a coiled strip (1000m long, 1m wide, 2mm thick). To obtain some metallurgical properties and to make the rolling easier, the slab is heated up to 1300 ° C and roughly rolled before going to the finishing mill. In the finishing mill the strip is rolled through successive stands (set of rolls) to reduce the thickness to its final desired value. The product is finally cooled down and coiled before shipping it to the customers. The thesis focuses on the enhancement of the finishing mill through a friction control between the strip and the work rolls using lubrication. The lubrication consists in building up oil on the rolls by spraying an emulsion of water and oil. The deposited oil changes the contact interface between the strip and the roll and decreases the friction coefficient. The reduction of the friction presents the advantages of: reduce the roll wear, enhance the strip surface quality, decrease the rolling force (reduce then the energy consumption) and increase the mill capability. In the other hand, an insufficient amount of friction due to an overabundance of lubrication can induce a slippage of the strip leading to a stop of the mill. It is important to control the amount of friction in a secure way. The design of the controller was done through two main steps: Modeling and identification of the effect of lubrication on the friction coefficient, designing the friction control

Le but de l'étude présentée est l'analyse d'un écoulement turbulent au sein d'un joint annulaire texturé. Le stator est usiné de centaines de trous cylindriques dont la profondeur peut atteindre 20 fois l'épaisseur du film. L'analyse de l'écoulement a été réalisée à l'aide de la résolution des équations complètes de Navier Stokes et d'une étude expérimentale complémentaire.<br />Une première approche bidimensionnelle a permis la mise en évidence de l'apparition de deux phénomènes dus à la prise en compte des effets d'inerties : un effet de traînée provenant de la présence des cavités ainsi que l'existence d'un cisaillement fluide important au sein de la couche de mélange s'établissant au niveau de l'interface cavité-film mince. La validation des résultats numériques 2D a été réalisée avec succès grâce à la conception et la fabrication d'un banc d'essais original. Ce dispositif permet d'entreprendre des mesures PIV dans un écoulement de Couette en canal rainuré allant jusqu'à des régimes fortement turbulent (Re=10000). La modularité du montage a été prise en compte afin de pouvoir tester d'autres types de textures à l'avenir.<br />La deuxième étape a été la résolution des équations de Reynolds dans un canal équivalent où la texture est remplacée par son effet à travers une modification des lois de frottement du rotor et du stator, ainsi que par la prise en compte de l'effet de traînée comme un terme source. Des simulations tridimensionnelles, basée sur une configuration réaliste, ont été effectuées afin d'extraire les données nécessaires pour la modification des modèles de calcul du film mince. Les grandes différences par rapport aux anciens modèles sont que les lois de frottements du rotor et su stator sont calculées séparément et que la variation de l'épaisseur du film est prise en compte.<br />Les calculs montrent une amélioration des résultats pour les coefficients de raideur directe, de raideur croisée et d'amortissement direct, avec cependant une surestimation de ce dernier.

Les effets thermiques dans les paliers hydrodynamiques ont été largement étudiés au cours des dernières années, ainsi que les effets élastiques, mais peu d'études regroupent les deux approches. Une analyse théorique et numérique a été menée en tenant compte du plus grand nombre de paramètres, comme les effets thermiques, les déformations thermiques et élastiques, afin qu'elle soit la plus précise possible. Des expérimentations ont permis de valider cette étude, tant au niveau des conditions aux limites qu'au niveau des hypothèses retenues. Une étude expérimentale complète est présentée sur le mésalignement. Elle met en évidence que le mésalignement modifie très sensiblement les paramètres de fonctionnement du palier. Le modèle numérique proposé conduit à une détermination réaliste des performances THD du palier mésaligné fonctionnant en régime établi. L'influence d'une modification, voulue ou non, de la géométrie du palier sur les performances d'un palier lisse est analysée. Ceci permet aux utilisateurs de paliers, soit d'améliorer les performances des paliers mésalignés, soit de donner des limites d'utilisation de paliers usés. Un modèle thermoélastohydrodynamique (TEHD) a été étudié; celui-ci tient compte des déformations dues aux champs de pression et de température. Dans le cas d'un palier très chargé, les déplacements engendrés peuvent être de l'ordre de l'épaisseur minimale du film. L'échauffement du film lubrifiant conduit à une diminution importante de la viscosité du fluide ainsi qu'à une dilatation différentielle des éléments du palier. La prise en compte des déformations mécaniques et thermiques est indispensable à la détermination précise des caractéristiques de fonctionnement d'un palier soumis à des conditions de fonctionnement sévères. L'utilisation du modèle TEHD devient impérative dès lors que la pression spécifique dépasse certaines limites admissibles ou que la vitesse de rotation est supérieure à 30 m/s.

Les lubrifiants contiennent des particules qui sont à la fois initialement présentes dans le lubrifiant et dans le mécanisme (fabrication, stockage ) ; générées durant le rodage, par usure ou corrosion ; ou bien issues de sources externes. Les particules détériorent les surfaces en créant des indents lorsqu'elles sont piégées dans les contacts. Ces indents augmentent le risque de rupture par fatigue en induisant des perturbations de pression et de contraintes. Ce travail est basé sur une étude des contacts indentés secs et lubrifiés (EHD). L'équation de Reynolds en fluide Newtonien est utilisée. Les techniques mutigrilles et multi-intégration sont employées. L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de prédiction des perturbations des champs de pression et de contraintes, et finalement un modèle de réduction de durée de vie des contacts indentés en fonction de la géométrie des indents et des conditions de contact.

La compréhension et la modélisation des phénomènes régissant la libération des stimuli orosensoriels durant la consommation d'un aliment doit permettre de respecter des critères de conception à la fois nutritionnels et organoleptiques. Un modèle de libération du sel au cours de la mastication a été développé pour des produits " solides ". La déstructuration du produit a été appréhendée en terme de génération de surface de contact entre le produit et la salive qui gouverne les transferts de sel. La surface de contact a été considérée comme étant le produit de deux fonctions. La première est reliée au sujet et est fonction de son efficacité masticatoire. La seconde est reliée au produit et dépend de ses propriétés de déstructuration qui peuvent être déterminées par des tests in vitro. Durant la phase pharyngée, la biomécanique de la déglutition gouverne l'enduction des muqueuses par le bol alimentaire et ainsi la libération des composés d'arôme présents dans cette couche. Ces phénomènes sont régis par un écoulement en film mince, stationnaire, dans un contact élastohydrodynamique mou dont la cinématique équivaut à un processus d'enduction par des cylindres contrarotatifs lubrifiés par de la salive. Deux régimes ont été distingués. Lorsque le film de salive est fin, la viscosité du bol alimentaire a un grand rôle sur l'enduction et la libération des composés d'arôme. Lorsque le film de salive est épais, le bol est dilué par la salive durant le processus de déglutition et sa viscosité a un faible effet sur l'enduction et la libération des composés d'arôme. Ce second régime permet d'expliquer l'origine physique d'observations in vivo concernant la libération des composés d'arôme.