La télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations globales sur les calottes polaires et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface ... ), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. Il est alors indispensable de définir des paramètres robustes et simples de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images gui a permis d' établir ces relations et qui a permis un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'âge du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'âge de la glace, et par conséquent, elle néces ite la connaissance de la différence d'âge entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. Ces datations nécessitent l'utilisation des modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz dans le névé. Les carottages réalisés dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Le traitement automatique des images issues de ces données a fourni les paramètres de structure introduits dans ces modèles. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace avec la profondeur ou l'âge de la glace. Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains ont été réalisées jusgu'à présent manuellement. Le traitement automatique d' images 2D a permis d' analyser les lois de grossissement des grains sur d' autres sites et a permis d' étudier les microstructures en terme d' évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.

Le secteur du bâtiment représente le principal gisement d'économies d'énergie exploitable immédiatement, en effet il consomme plus de 40 % de l'énergie finale et contribue pour près du quart aux émissions françaises de gaz à effet de serre. Un plan de rénovation énergétique et thermique des bâtiments existants, réalisé à grande échelle et cadré par le Grenelle de l'Environnement, vise à réduire durablement les dépenses énergétiques. Avec près de 20 millions de logements construits avant 1975, sans aucune isolation thermique, la surface de parois à isoler est donc considérable et met en évidence une problématique de volume d'isolant et la nécessiter de proposer de nouveaux matériaux isolants en appliquant une approche système. Les travaux présentés ont pour objectif d'améliorer la compréhension des interactions microstructures / propriétés et à partir de ces connaissances de produire des outils d'aide à la formulation pour la rénovation du bâti ancien. L'exercice de la formulation de matériau est abordé avec une approche composite expérimentale et numérique à plusieurs échelles. En effet l'optimisation d'un matériau nécessite de décrire et de connaître finement les interactions entre les composants (liant organique et/ou minéral, fibres, squelette granulaire, structure poreuse). Nous nous intéressons dans une première partie à l'intégration d'un renfort dans un matériau poreux organo-minéral, afin de mieux comprendre comment conserver les propriétés hydriques du matériau (perméabilité vapeur) tout en améliorant ses propriétés mécaniques en traction. Les mesures expérimentales confirment la nécessité de coupler la rhéologie et la mécanique des composites pour proposer un outil d'aide à la formulation dédié à l'Isolation Thermique par l'Extérieur. La seconde partie aborde le verrou scientifique de la formulation de la matrice des matériaux isolants et plus particulièrement leur caractère non fissurant dans une gamme de température et d'hygrométrie classiquement rencontrée lors d'une exposition réelle sur site. Nous cherchons une meilleure illustration des propriétés mécaniques élastiques du matériau en lien avec les observations microstructurales effectuées en microscopie environnementale. Ceci se traduit par une meilleure compréhension de la structure organo-minérale formée. La troisième partie se focalise sur l'étude des renforts utilisés dans ces matériaux composites et vise à définir des outils statistiques pour caractériser leurs performances. Nous proposons un couplage AFM / Essai sur fil, et une analyse via une loi normale pour caractériser les renforts, et définir des indices de performances utilisables dans des modèles de formulation. La dernière partie se place à l'échelle d'une paroi composite de bâtiment et cherche à développer des outils aptes à qualifier les performances d'un matériau fracturé, en lien avec une évaluation non destructive du matériau. Le caractère fragile et fissurant des matériaux de construction est ainsi intégré des la conception du matériau et pris en compte dans un modèle thermique et hydrique couplé. In fine des seuils de performance devraient pouvoir être proposés et déclencher des maintenances préventives à l'image des procédures déjà en place sur les structures génie civil.

<p> This study focuses on developing a new online recursive numerical algorithm for a coupled nonlinear inverse heat conduction-microstructure problem. This algorithm is essential in identifying, designing and controlling many industrial applications such as the quenching process for heat treating of materials, chemical vapor deposition and industrial baking. In order to develop the above algorithm, a systematic four stage research plan has been conducted. </P> <p> The first and second stages were devoted to thoroughly reviewing the existing inverse heat conduction techniques. Unlike most inverse heat conduction solution methods that are batch form techniques, the online input estimation algorithm can be used for controlling the process in real time. Therefore, in the first stage, the effect of different parameters of the online input estimation algorithm on the estimate bias has been investigated. These parameters are the stabilizing parameter, the measurement errors standard deviation, the temporal step size, the spatial step size, the location of the thermocouple as well as the initial assumption of the state error covariance and error covariance of the input estimate. Furthermore, three different discretization schemes; namely: explicit, implicit and Crank-Nicholson have been employed in the input estimation algorithm to evaluate their effect on the algorithm performance. </p> <p> The effect of changing the stabilizing parameter has been investigated using three different forms of boundary conditions covering most practical boundary heat flux conditions. These cases are: square, triangular and mixed function heat fluxes. The most important finding of this investigation is that a robust range of the stabilizing parameter has been found which achieves the desired trade-off between the filter tracking ability and its sensitivity to measurement errors. For the three considered cases, it has been found that there is a common optimal value of the stabilizing parameter at which the estimate bias is minimal. This finding is important for practical applications since this parameter is usually unknown. Therefore, this study provides a needed guidance for assuming this parameter. </p> <p> In stage three of this study, a new, more efficient direct numerical algorithm has been developed to predict the thermal and microstructure fields during quenching of steel rods. The present algorithm solves the full nonlinear heat conduction equation using a central finite-difference scheme coupled with a fourth-order Runge-Kutta nonlinear solver. Numerical results obtained using the present algorithm have been validated using experimental data and numerical results available in the literature. In addition to its accurate predictions, the present algorithm does not require iterations; hence, it is computationally more efficient than previous numerical algorithms. </p> <p> The work performed in stage four of this research focused on developing and applying an inverse algorithm to estimate the surface temperatures and surface heat flux of a steel cylinder during the quenching process. The conventional online input estimation algorithm has been modified and used for the first time to handle this coupled nonlinear problem. The nonlinearity of the problem has been treated explicitly which resulted in a non-iterative algorithm suitable for real-time control of the quenching process. The obtained results have been validated using experimental data and numerical results obtained by solving the direct problem using the direct solver developed in stage three of this work. These results showed that the algorithm is efficiently reconstructing the shape of the convective surface heat flux. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)