Au cours d’un transitoire d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), la vaporisation de l’eau dans la cuve d’un réacteur nucléaire conduit à l’assèchement et à l’augmentation de la température des crayons de combustible, à leur gonflement thermomécanique et à la rupture des gaines de ces crayons remplies de matériaux combustibles fragmentés. Ce gonflement peut être à l’origine d’un bouchage significatif d’une partie du coeur et compromettre ainsi son refroidissement lors de la phase de renoyage où l’eau injectée via les systèmes de sécurité pénètre dans le bas du coeur. Lors de cette phase de renoyage, la vaporisation importante de l’eau produit un fort débit de vapeur qui arrache et entraîne des gouttelettes dans les zones bouchées. L’enjeu de cette thèse est d’évaluer les capacités de refroidissement des crayons ballonnés par l’impact des gouttes d’eau. Pour ce faire, une étude expérimentale est réalisée au LEMTA de Nancy, afin de mesurer le flux de refroidissement d’un train de gouttes impactant une paroi chaude. L’influence des caractéristiques dynamiques des gouttes sur le flux échangé entre la goutte et la paroi est expérimentalement étudiée. Ces essais ont permis la réalisation d’une base de donnée permettant de valider un modèle de flux goutte/paroi Ce modèle d’échange goutte/paroi est réalisé à partir d’une modélisation des paramètres clefs gouvernant l’échange, à savoir, le diamètre d’étalement de la goutte sur la paroi, l’épaisseur de la couche de vapeur créée sous la goutte et le temps de séjour de la goutte sur la paroi. Ce modèle, validé expérimentalement, est intégré dans le code NEPTUNE_CFD dans le but de réaliser des simulations de refroidissement d’un assemblage de crayon, en phase de renoyage, en prenant en compte l’effet des gouttes impactantes / In a pressurized water reactor (PWR), during a Loss Of Coolant Accident (LOCA), liquid water evaporates and the fuel assemblies are not cooled anymore; as a consequence, the temperature rises to such an extent that some parts of the fuel assemblies can be deformed resulting in ’ballooned regions’. When reflooding occurs, the cooling of these partially blocked parts of the fuel assemblies will depend on the coolant flow that is a mixture of overheated vapour and undersaturated droplets. The aim of this thesis is to study the heat transfer between droplets and hot walls of the fuel rods. In this purpose, an experimental device has been designed in accordance with droplets and wall features (droplet velocity and diameter, wall temperature) representative of LOCA conditions. The cooling of a hot Nickel disk, previously heated by induction, is cooled down by a stream of monodispersed droplet. The rear face temperature profiles are measured by infrared thermography. Then, the estimation of wall heat flux is performed by an inverse conduction technique from these infrared images. The effect of droplet dynamical properties (diameter, velocity …) on the heat flux is studied. These experimental datas allow us to validate an analytical model of heat exchange between droplet and hot slab. This model is based on combined dynamical and thermal considerations. On the one hand, the droplet dynamics is considered through a spring analogy in order to evaluate the evolution of droplet features such as the spreading diameter when the droplet is squeezed over the hot surface. On the other hand, thermal parameters, such as the thickness of the vapour cushion beneath the droplet, are determined from an energy balance. In the short term, this model will be integrated in a CFD code (named NEPTUNE_CFD) to simulate the cooling of a reactor core during a LOCA, taking into account the droplet/wall heat exchange

Cette étude porte sur l'estimation par méthode inverse d'un champ de conductance thermique de contact entre deux matériaux formant la paroi d'un réacteur métallurgique. Dans le cas du montage de réacteur métallurgique, il est essentiel de venir déterminer la conductance thermique de contact dans l'assemblage. Cela permet de venir identifier et corriger les défauts de contact avant la mise en fonctionnement du réacteur métallurgique.Cette étude utilise les méthodes inverses, particulièrement la méthode du gradient conjugué avec un problème adjoint, pour venir réaliser cette estimation. Dans cette étude, la méthode a été validée à l'aide de tests numériques représentant un diagnostic du contact thermique entre la paroi de carbone et la paroi d'acier du réacteur métallurgique avec différentes conductances thermiques de contact. Suite [i.e. à] cette validation, un test avec un bruit de mesure sur les températures de référence de la méthode inverse a été réalisé. Il a été démontré que, pour les tests réalisés sans bruit de mesure, l'erreur d'estimation générale est inférieure à 2%. Pour le test avec un bruit de mesure de «0, 025 K le défaut de contact a été localisé à la bonne position, en revanche l'erreur d'estimation est de 39%. Dans un second temps, des tests supplémentaires ont été réalisés pour observer l'évolution de l'erreur d'estimation en fonction de deux nombres sans dimension, le rapport de conductivité thermique et le nombre de Biot. Cela a permis de conclure qu'il faut avoir simultanément un rapport de conductivité thermique supérieur à 1 et un nombre de Biot supérieur à 0,05 pour obtenir une estimation précise dans les cas étudiés. La méthode permet de venir estimer la conductance thermique de contact, d'une manière novatrice et non intrusive, dans un mur de réacteur métallurgique.

Au Québec, les producteurs d'aluminium consomment 12% de la puissance totale installée d'Hydro-Québec. Dans un contexte où le prix de l'énergie est en constante progression, les alumineries font donc face à des défis énergétiques de taille ; de plus, la production d'émissions de gaz à effet de serre étant directement reliée à la consommation d'énergie, des défis environnementaux importants s'annoncent pour le futur. Pour répondre à ces défis, une des avenues envisagées concerne la couche de gelée qui est présente dans chacune des cuves d'électrolyse d'aluminium. La couche de gelée a une importance capitale dans le procédé de fabrication d'aluminium, car elle sert de barrière protectrice aux parois réfractaires contre le bain électrolytique très corrosif à haute température. Elle permet également de minimiser les courants horizontaux à l'intérieur de la cuve, ce qui assure sa stabilité magnéto-hydrodynamique et permet d'optimiser l'efficacité de courant du procédé. La méthode traditionnelle pour mesurer le profil de gelée dans une cuve se fait manuellement à l'aide d'une sonde mécanique, mais cette opération nécessite beaucoup de temps ainsi que du personnel qualifié. De plus, ces mesures sont réalisées à une faible fréquence, et nécessitent l'ouverture du capot, ce qui libère beaucoup de chaleur et d'émissions chimiques dans l'atmosphère. Pour pallier aux désavantages de la méthode traditionnelle, ce travail présente le développement d'une méthode inverse (capteur virtuel) qui permet d'estimer en continu, et de manière non-instrusive [i.e. non-intrusive], l'épaisseur de gelée à partir de mesures thermiques (température et/ou flux de chaleur) provenant de capteurs situés dans les parois latérales de la cuve d'électrolyse. Le capteur virtuel est composé d'un filtre de Kalman et d'un estimateur récursif aux moindres-carrés, et il est combiné à une procédure d'identification du procédé en modèles d'état. Cette approche est appliquée pour la première fois dans la résolution d'un problème inverse avec changement de phase et en utilisant des capteurs de flux de chaleur. Parce que pour les alumineries, l'intérêt et le réel défi consistent plutôt à contrôler l'épaisseur de gelée, le capteur virtuel est ensuite combiné à un algorithme de contrôle qui régule le système de refroidissement des parois latérales de la cuve d'électrolyse. Ceci permet alors de contrôler à sa guise l'épaisseur de gelée malgré les perturbations thermiques inhérentes au procédé. La stratégie de contrôle retenue consiste en un contrôleur classique proportionnel-intégral-dérivatif, largement utilisé en industrie. Le capteur virtuel et l'algorithme de contrôle sont ensuite validés pour des conditions d'opérations typiques présentes dans les réacteurs métallurgiques à haute température. Les résultats montrent que la différence entre l'épaisseur réelle de gelée et celle prédite avec le capteur virtuel demeure dans tous les cas inférieure à 5%, tandis que la stratégie de contrôle demeure stable pour chacune des conditions d'opération, assure une erreur nulle en régime permanent ainsi qu'aucun dépassement de consigne, et procure une erreur maximale de 1 x 10[indice supérieur -3] m sur le suivi de la consigne de l'épaisseur de gelée. Pour répondre simultanément à la problématique d'estimation et de contrôle de l'épaisseur de gelée, le présent travail nécessite donc la combinaison de plusieurs domaines traditionnellement séparés (modélisation, transfert de chaleur, identification, méthodes inverses, contrôle) et cette procédure est appliquée pour la première fois dans le procédé d'électrolyse d'aluminium.

Les travaux de thèse gravitent autour de la thématique des matériaux poreux en aéronautique, et de la prise en compte de l'incertitude sur les caractérisations réalisées. Est envisagé l'ajout de matériaux poreux au sein des cavités de liners acoustiques, matériaux constitués d'une plaque perforée et d'une cavité fonctionnant sur le principe du résonateur de Helmholtz et majoritairement utilisés dans l'industrie aéronautique. Cet ajout est réalisé avec pour objectif d'augmenter l'étendue spectrale de l'absorption acoustique de tels matériaux et d'en améliorer le fonctionnement en présence d'un fort niveau sonore et d'un écoulement rasant.Pour répondre à cette problématique générale, deux grandes pistes sont suivies. Plusieurs études sont d'abord menées sur des matériaux poreux seuls, afin de déterminer les propriétés intrinsèques de leur micro-géométrie, nécessaires à l'utilisation des modèles semi-phénoménologiques de fluide équivalent adoptés par la suite. Pour cela, un outil statistique d'inférence Bayésienne est utilisé afin d'extraire l'information sur ces propriétés, contenue dans les signaux réfléchis ou transmis par un matériau poreux, et ce dans trois régimes fréquentiels distincts. De plus, une extension de la modélisation des matériaux poreux rigides est proposée, par l'ajout de deux paramètres intrinsèques reliés au comportement visco-inertiel du fluide intra-pores dans le régime des basses fréquences.Dans un second temps, l'impédance d'un liner, une propriété globale représentant le comportement acoustique de matériaux, est identifiée par inférence Bayésienne. Des données issues d'un benchmark de la NASA sont utilisées pour valider l'outil d'inférence développé, lorsque le matériau est en présence d'un écoulement rasant. Une extension des résultats au cas du banc B2A de l'ONERA est également réalisée, avec des mesures des champs de vitesses au dessus du liner, obtenues par LDV. Cette technique d'identification est par la suite utilisée sur un cas issu du B2A où un matériau poreux est présent au sein des cavités du liner, afin de mettre à jour l'influence du matériau poreux sur la réponse acoustique du liner en présence d'un écoulement rasant. Des mesures complémentaires en tube à impédance, sans écoulement et en incidence normale, sont également réalisées à différents niveaux sonores et pour diverses combinaisons de plaques perforées et de matériaux poreux, de façon à mettre en évidence l'influence de la présence d'un matériau poreux sur le comportement acoustique d'un liner soumis à de forts niveaux sonores. / The present work focuses on porous materials in aeronautics and the uncertainty considerations on the performed identifications. Porous materials are added inside the cavities of acoustic liners, materials formed with perforated plates and cavities, behaving as Helmholtz resonators, which are widely used in the industry. The aim is to increase the frequency range of the absorption spectrum, while improving the behaviour of liners to grazing flow and high sound intensity.This general topic is addressed by following two different leads.Porous materials were first considered in order to identify the intrinsic properties of their micro-geometry, necessary to the equivalent fluid semi-phenomenological models used later on. To achieve this, a statistical Bayesian inference tool is used to extract information on these properties, contained in reflected or transmitted signals, in three distinct frequency regimes. Furthermore, a modelling extension of rigid porous media is introduced, by adding two new intrinsic parameters related to the pore micro-structure and linked to the visco-inertial behaviour of the intra-pore fluid, at low frequencies.Then, the liner impedance, a global property representing the acoustic behaviour of materials, is identified through a Bayesian inference process. Data from a NASA benchmark are used to validate the developed tool, when the liner is subject to a shear grazing flow. An extension of these results to ONERA's B2A aeroacoustic bench is also performed, with measurements of the velocity profiles above the liner, obtained with a Laser Doppler Velocimetry technique. This identification technique is then further used for liner materials filled with porous media, to highlight the eventual influence of such a porous media on the acoustic response of the liner, when subject to a shear grazing flow. Additional measurements are permed without flow, at normal incidence, in a classical impedance tube. Different combinations of perforated plates and porous materials are tested at different sound pressure level, to evaluate the influence of the presence of porous media on the non-linear behaviour of liners when high sound pressure levels are present.

La lutte contre la corrosion des structures sous-marines et des navires nécessite l'utilisation d'une protection cathodique adaptée. Cette protection induit alors une circulation de courant électrique dans l'eau de mer et donc la présence d'un champ électromagnétique, détectable par des capteurs. La première idée de ce travail est, à partir de la connaissance de la géométrie et de la physique d'une structure, de prédire le champ électromagnétique généré. La seconde idée est de développer une méthode inverse de diagnostic de corrosion à partir de la mesure de grandeurs électromagnétiques dans l'eau, pour retrouver les zones abîmées. Ainsi, à partir d'une série de mesures dans l'eau, un diagnostic de corrosion est possible et l'extrapolation de la signature électromagnétique à des profondeurs plus lointaines est réalisable. Cette méthode est enfin vérifiée expérimentalement sur quelques cas simples et sur une maquette de navire complexe.

Dans le cadre de la conception des structures aéronautiques et de la modélisation de leur tenue mécanique, la représentation des comportements non linéaires locaux conduisant à la rupture est nécessaire et notamment ceux des liaisons. Ainsi en situation de crash survivable, les liaisons sont soumises à des charges dynamiques qui peuvent conduire à la rupture et à la désarticulation. Pour caractériser la tenue au crash des assemblages rivetés, une méthodologie dite de 'plans d'expérience numériques' est proposée ; son intérêt est de limiter le coût des procédures expérimentales. Fondée sur les techniques de modélisation par éléments finis et d'optimisation par méthode inverse, la méthode repose sur la détermination des paramètres du comportement non linéaire et à la rupture des matériaux constitutifs de la liaison rivetée. Le développement de l'outil informatique d'optimisation est présenté dans la première partie du mémoire. Les modèles de comportement de deux alliages d'aluminium composant l'assemblage sont identifiés grâce à l'optimiseur. Ils seront utilisés pour mener les simulations de différents essais effectués sur les assemblages. L'évaluation des contraintes et des déformations résiduelles dues au procédé de rivetage est abordée dans la deuxième partie. Les mécanismes de mise en forme des rivets sont analysés expérimentalement. Des simulations sont d'autre part entreprises à l'aide du code de calcul explicite PAM-SOLID(TM), afin d'introduire, une fois validées, les contraintes et les déformations résiduelles post-rivetage dans le calcul de la tenue mécanique de l'assemblage. La faisabilité des plans d'expérience numériques est démontrée dans la troisième partie. Les paramètres d'endommagement du modèle de Gurson sont identifiés par méthode inverse pour les deux matériaux composant l'assemblage. La qualité de l'ensemble des résultats obtenus permet notamment d'envisager l'emploi de l'outil de simulation dans le cadre de la caractérisation de modèles équivalents macroscopiques du rivet. Ces techniques de modélisation simplifiée des liaisons sont abordées dans la dernière partie. Un critère de rupture de la liaison est caractérisé par l'expérience à l'aide du dispositif ARCAN et par plan d'expérience numérique. Un nouveau modèle non linéaire de la liaison est développé dans le code de calcul PAM-SOLID(TM) et ses paramètres identifiés. L'ensemble des résultats obtenus est finalement appliqué à la simulation de l'écrasement d'une structure comportant 700 rivets.

Le but de ce travail est le développement d'une méthode automatique d'identification de paramètres couplée au logiciel éléments finis FORGE3. L'analyse d'essais mécaniques faisant intervenir des écoulements de matière complexes ainsi que la prise en compte de modèles rhéologiques de plus en plus raffinées rendent nécessaire l'utilisation de méthodes inverses couplée avec des solveurs éléments finis. La méthode développée est couplée avec le modèle direct tridimensionnel FORGE3, afin de prendre en compte l'écoulement de matière tridimensionnel intervenant dans certains essais. Le problème inverse est formulé comme un problème d'optimisation au sens des moindres carrés. Afin de minimiser les temps de calcul associé à la résolution de ce problème inverse, une méthode à direction de descente (méthode de Gauss-Newton) est choisie. Cet algorithme permet un bon compromis entre précision et temps de calcul. Les méthodes à direction de descente pouvant présenter des instabilités numériques, l'algorithme de Gauss-Newton est stabilisé afin d'être en mesure d'identifier les paramètres de modèles rhéologiques relativement complexes. L'approche proposée est validée sur quelques problèmes numériques représentatifs des problèmes concret que l'on veut étudier. Afin de programmer l'algorithme de Gauss-Newton et d'étudier sa stabilité, un module d'analyse de sensibilité est développé. Celui-ci est basé sur un schéma semi-analytique, alliant flexibilité, précision et faible coût en terme de temps de calcul. L'approche globale d'identification de paramètres est testée sur un certain nombre de cas concrets: des essais de compression simple, de torsion, de bipoinçonnement. L'approche proposée permet aussi d'utiliser des essais de formabilité comme des essais rhéologiques. Dans ce contexte, l'essai SICO, l'essai de gonflage hydraulique de tôle ainsi que l'essai Nakazima sont analysés. Le module d'identification de paramètres proposé permet d'identifier divers modèles rhéologiques (e.g. viscoplastiques, élasto-viscoplastiques, critère de Hill anisotrope), à partir de divers essais mécaniques plus ou moins complexes. Enfin, l'analyse de sensibilité s'est révélée être un outil d'aide à la conception des expériences elles-mêmes pour l'essai Nakazima et pour l'essai de bipoinçonnement.

Cette étude consiste à développer des outils permettant de mieux caractériser le comportement de matériaux ayant subi des transformations lors du procédé de fabrication d'une structure (mise en forme, assemblage). Pour cela, la démarche mise en place s'organise autour de quatre chapitres. Dans le premier, une étude bibliographique permet de faire l'état de l'art des différentes méthodes d'identification de loi de comportement non linéaires. A la suite de cette étude, la Méthode des Champs Virtuels, couplée à des mesures par stéréo corrélation d'images, est mise en œuvre pour identifier les paramètres d'une loi de comportement (élastoplastique) à partir de champs de déformation fortement hétérogènes. Le but de cette étude est de mieux comprendre quels sont les facteurs expérimentaux et numériques pouvant corrompre les résultats de l'identification. Le second chapitre est consacré au développement et à la validation des outils numériques qui seront utilisés pour caractériser le comportement du matériau. Le troisième porte sur l'étude des conséquences de l'utilisation de données expérimentales (imparfaites) sur le calcul de l'équation d'équilibre à la base de la procédure d'identification. Enfin, dans le dernier chapitre, les paramètres du modèle de comportement matériau sont identifiés à partir d'essais fortement hétérogènes (essais Arcan 0°, 45° et 90°). Les résultats obtenus mettent en évidence l'importance des hypothèses utilisées pour modéliser le comportement du matériau ainsi que le fort potentiel de la Méthode des Champs Virtuels pour caractériser le comportement de matériau. Fort potentiel qui peut d'ailleurs être un inconvénient si le problème est mal défini.

La rigidité artérielle est un critère clé dans l'analyse de plusieurs maladies cardiovasculaires comme l'athérosclérose. Cette maladie est l'une des causes principales de mortalité dans les pays de l'OCDE. L'analyse des propriétés mécaniques des artères in vivo permettrait d'améliorer le diagnostic de ce type de pathologie. L'originalité de ce travail de recherche est de s'intéresser à la problématique de l'identification non invasive des propriétés mécaniques des artères in vivo en utilisant l'IRM. Une nouvelle méthode d'identification adaptée à la résolution spatiale de l'IRM a été développée. Celle-ci se base sur la minimisation d'une fonction coût caractérisant l'écart entre une image expérimentale déformée et une image recalée numériquement. Cette dernière consiste à utiliser une image expérimentale au repos et à recaler celle-ci à l'aide d'un champ de déplacements issu d'un calcul éléments finis.Cette méthodologie a été appliquée pour identifier les propriétés élastiques d'artères carotides communes de plusieurs sujets sains et de patients atteints d'athérosclérose. Ces travaux ont permis de mettre en évidence la rigidification des artères carotides avec l'âge et l'évolution de la rigidité des artères lors de l'évolution du cycle cardiaque, ainsi que les effets de la mesure de la pression sanguine et des propriétés mécaniques du milieu extérieur à l'artère sur les résultats de l'identification.Cette étude offre de grandes promesses quant à la possibilité d'identifier les propriétés non linéaires hétérogènes d'artères sclérosées en utilisant l'IRM.

Ce projet de recherche porte sur une méthode numérique permettant de prédire l'évolution du profil 2D de la couche solide qui recouvre l'intérieur des parois de plusieurs fours de transformation à haute température. Un modèle mathématique basé sur la formulation faible de l'énergie est d'abord développé et validé. Une méthode de transfert thermique inverse reposant sur ce modèle est ensuite développée afin d'obtenir une mesure rapide et continue de l'évolution du profil de cette couche solide. Vu la grande inertie thermique du système à l'étude, différentes stratégies sont proposées afin de faciliter la mise en oeuvre de cette méthode numérique. Finalement, cette approche inverse est confrontée aux résultats expérimentaux obtenus à l'aide d'un réacteur métallurgique. Une étude préliminaire montre que les fours de transformation présentent une très grande inertie thermique qui limite grandement l'utilisation des méthodes inverses. En effet, la sensibilité de cette méthode numérique repose essentiellement sur le délai temporel observé entre la variation du profil du banc et la fluctuation de la température à la surface externe de la paroi du four. Les résultats obtenus démontrent qu'une partie de ce délai est proportionnel à la chaleur latente de fusion lorsque le matériau à changement de phase est constitué d'un mélange non eutectique. Afin de limiter l'impact de ce délai temporel, deux astuces numériques sont proposées : réutiliser plus d'une fois les mesures de température et modifier le problème thermique dans les régions pâteuse et liquide. D'une part, le concept de chevauchement proposé permet de réduire le temps d'acquisition des données entre chacune des prédictions. D'autre part, l'approche virtuelle développée permet de réduire l'inertie thermique du système et, par le fait même, le délai temporel associé à la diffusion de la chaleur. Ces deux stratégies ont permis de prédire efficacement l'évolution 1D de l'épaisseur de la couche de gelée qui se solidifie à l'intérieur des cuves d'électrolyse. Par ailleurs, l'important temps de calcul associé à la mise en oeuvre de la méthode inverse a été réduit en utilisant une approche pseudo 2D pour résoudre le problème inverse 2D. Cette approche consiste à diviser le domaine à l'étude en plusieurs tranches unidimensionnelles pour lesquelles la méthode inverse 1D est rapidement mise en oeuvre. L'ensemble des solutions est ensuite combiné pour mener à la prédiction de l'évolution du profil de l'interface de changement de phase. Il est à noter que la validité de cette méthode dépend fortement de l'importance des effets 2D dans le système. Un abaque portant sur le domaine d'application de cette méthode est d'ailleurs présenté dans cet ouvrage. Finalement, l'efficacité de cette méthode numérique a été validée à l'aide d'un montage expérimental s'apparentant à une cuve d'électrolyse réelle. Les résultats obtenus permettent de conclure que la méthode inverse proposée peut être efficacement implémentée dans un dispositif de mesure permettant de prédire rapidement et à moindre coût l'évolution du profil de la couche protectrice que l'on retrouve dans ces cuves d'électrolyse.