Suction piles are used for anchoring the mooring lines at the seafloor. One of the challenges of their installing is the occurrence of the heave resonance of the pile-cable system and possibly the heave induced pitch resonance during the lowering process. When the heave and/or pitch frequency of the vessel which operates the lowering of the pile matches the heave natural frequency of the pile-cable system, the heave resonance may occur, resulting in large heave oscillations of the pile and thus significantly increasing loads on the lowering cable and lowering devices. Furthermore, the large heave may resonantly induce the pitch of a pile. To predict and possibly mitigate the heave/pitch resonance of the pile-cable system during the lowering process, it is crucial to under the mechanism of heave induced pitch resonance and estimate the added-mass and damping coefficients of the pile-cable system accurately. The model tests of the forced heave excitation of pile models were first conducted to investigate the added-mass coefficient for a pile model with different opening area ratios at its top cap at the Haynes Coastal Engineering Laboratory of Texas AandM University. In the model tests, it was observed that the resonant heave may occur if the heave excitation frequency matches the related heave natural frequency and the pitch resonance may be induced by the heave resonance. The results of the following theoretical analysis and numerical simulation of the heave excitation of the pile-cable system are found to be consistent with the related measurements, which is helpful to further understand the physics of lowering a pile-cable system. The results of this study may be used to determine the magnitudes of total heave added-mass and damping coefficient of a pile and the heave natural frequency of the pile-cable system based upon its main characteristics. The heave induced resonant pitch is found to occur when 1) the pitch natural frequency is roughly equal to one half of the heave natural frequency and 2) the heave excitation frequency is approximately equal to the heave natural frequency. If only one of the two conditions is satisfied, no significant pitch resonance will occur. These results may have important implications to the operation of lowering offshore equipment to the seafloor in deep water.

The soil pile system (SPS) is a wastewater infiltration system used for secondary and tertiary treatment of wastewater. The purpose of this study is to perform a feasibility study to assess the applicability of SPS for treatment and safe disposal of domestic wastewaters, using a simplistic steady-state flow analytical modeling and a numerical transient unsaturated flow and transport modeling approaches. It is also aimed to develop guidelines for the design and operation of field scale SPS using the results of modeling studies. The analytical modeling approach (AMA) was used to assess total coliform and chlorine attenuation efficiency in a SPS with clay loam soil. Analytical modeling results showed that SPS can treat wastewater in terms of total coliform and chlorine. Thus, in the light of findings of analytical modeling study, a pilot scale field study was conducted for the identifying the design and operational characteristics of a field scale system. Numerical modeling approach was used to evaluate the impact on contaminant removal of transient nature of wastewater infiltration and redistribution through clay loam soil pile. The results of numerical and analytical models were compared to assess the effect of flow regime on contaminant removal efficiencies. Results show that there is no significant difference between removal efficiencies achieved by numerical and analytical models. Whereupon, analytical model was used to assess behavior of SPS with different soil types, namely silt loam, loam, and sandy loam soils. Model results indicated that SPS can be effective reducing chlorine and total coliform concentrations of wastewater below discharge standards. Results also indicated that SPS is highly sensitive to soil thickness, infiltration rate, soil bulk density and most importantly decay rate coefficients and the performance of SPS is dependent on the design, construction, operation characteristics and soil-environmental conditions of the system.

A macroelement is developed for soil-structure interaction analyses of piles in liquefiable soils, which captures efficiently the fundamental mechanisms of saturated granular soil behavior. The mechanical model comprises a nonlinear Winkler-type model that accounts for soil resistance acting along the circumference of the pile, and a coupled viscous damper that simulates changes in radiation damping with increasing material non-linearity. Three-dimensional (3D) finite element (FE) simulations are conducted for a pile in radially homogeneous soil to identify the critical parameters governing the response. The identified parameters, i.e., hydraulic conductivity, loading rate of dynamic loading, dilation angle and liquefaction potential are then expressed in dimensionless form. Next, the macroelement parameters are calibrated as a function of the soil properties and the effective stress. A semi-empirical approach that accounts for the effects of soil-structure interaction on pore pressure generation in the vicinity of pile is used to detect the onset of liquefaction. The predictions are compared with field data obtained using blast induced liquefaction and centrifuge tests and found to be in good agreement. Finally, the macroelement formulation is extended to account for coupling in both lateral directions. FEM simulations indicate that response assuming no coupling between the two horizontal directions for biaxial loading tends to overestimate the soil resistance and fails to capture features like 'apparent negative stiffness', 'strain hardening' and 'rounded corners'.

Parmi les nouvelles technologies pour l'énergie inscrites dans un contexte de développement durable, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) présentent des aspects séduisants. Toutefois, pour rendre cette technologie compatible avec une application à grande échelle, elle doit répondre à des exigences strictes en terme de coût, performance, et durabilité. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, en proposant d'optimiser les propriétés de conduction électrique et de passivité d'aciers inoxydables pour la réalisation de plaques bipolaires pour PEMFC, en remplacement du graphite, le matériau de référence.<br />Ce travail fait l'inventaire des modes de dégradation de performances possibles lors de l'emploi d'aciers inoxydables et des moyens pour y remédier. Les propriétés des films passifs sur aciers inoxydables ont été étudiées, ainsi que leur modification par des solutions industrielles de traitements de surfaces bas coût, sans revêtement.<br />Des caractérisations ex situ de la tenue à la corrosion et de la conduction électrique des matériaux envisagés ont été effectuées. La spectroscopie d'impédance électrochimique, la mesure de la teneur en cations métalliques après essai, et des analyses de surface des aciers inoxydables par microscopie et spectroscopie de photoélectrons, ont permis d'étudier le vieillissement de deux nuances d'aciers inoxydables dans différents états et plusieurs conditions représentatives d'une exposition en milieu PEMFC. Des corrélations entre les propriétés semiconductrices, la composition, et la structure des couches passives ont été envisagées, sans toutefois aboutir à une identification claire de tous les paramètres responsables de la conductivité électrique et de la passivité des couches.<br />L'état industriel de livraison des tôles ne convient pas à un emploi direct en pile pour satisfaire les critères de durabilité et performance pour des conditions classiques de fonctionnement. Une modification de surface étudiée apporte une nette amélioration de la conduction électrique à l'état initial, qui se dégrade au vieillissement, tout en restant à un niveau supérieur à l'état industriel de réception. Ce traitement augmente également la résistance à la corrosion, particulièrement côté anodique.

L'introduction de nouveaux moyens de production d'énergie sur le marché dépend en partie de leur compétitivité. Le développement à bas coût d'un procédé de réalisation de cellules de piles à combustible à oxyde solide (SOFC), sujet de cette étude, s'inscrit dans une telle dynamique. Dans le cahier des charges défini au préalable, ont été fixés la méthode de mise en forme, -le coulage en bande-, ainsi que les matériaux, -la zircone yttriée, le nickel et le manganite de lanthane dopé au strontium-.<br />Afin de baisser les coûts de production, et tout en prenant en compte le respect de l'environnement, le procédé développé utilise un solvant de barbotine aqueux. En utilisant le système développé lors d'une précédente étude, on obtient séparément les électrodes et l'électrolyte. L'utilisation dans la présente étude de supports de séchage hydrophiles, permet d'assembler les trois couches crues pour former une cellule élémentaire avec le maximum de continuité interfaciale. Un travail réalisé au niveau de la microstructure de l'anode, afin de symétriser les déformations de la cellule lors de sa mise en oeuvre, a permis de limiter le comportement mécanique différentiel des couches, ce qui a renforcé la tenue au frittage des cellules.<br />Afin d'interpréter les performances électriques faibles des cellules et leur rapide dégradation au cours du temps, des études en microscopie en transmission, sur échantillons préparés par FIB, et en spectroscopie d'impédance ont été menées. Il est apparu que deux phases isolantes apparaissaient à la cathode aux interfaces LSM/YSZ en raison d'une température de co-frittage trop élevée. De plus, on a mis en évidence une agglomération rapide des grains de nickel lors du fonctionnement, entraînant une perte locale ou globale de la percolation du réseau de nickel. Ce dernier problème a été résolu en augmentant au préalable la taille des grains d'oxyde de nickel (de 0,5 μm à 3 μm) afin de stabiliser la microstructure. Le problème de la réactivité aux interfaces LSM/YSZ a, quant à lui, été abordé de deux façons différentes; on a dans en premier lieu tenté d'abaisser la température de frittage en utilisant une nanopoudre de zircone, et dans un second lieu de remplacer la zircone par la cérine dopé du gadolinium (CGO) pour l'électrolyte. Cependant, l'utilisation d'une nanopoudre de zircone n'a pas permis d'abaisser la température de frittage en préservant la densité de l'électrolyte, et la cérine substituée à la zircone dans la barbotine de cathode a généré des instabilités mécaniques qui n'ont pas pu être résolu.<br />Le procédé développé permet cependant d'obtenir une excellente interface anode/électrolyte, au contraire d'autres procédés et malgré des différences de propriétés mécaniques importantes. Il apparaît donc pérenne pour l'utilisation d'autres matériaux ne présentant pas de réactivité aux interfaces.

Cette thèse a pour but de contribuer à la mise au point et le développement, de plaques mono ou bipolaires composites pour piles à combustibles à membranes échangeuses de protons (ou PEMFC). Les plaques mono ou bipolaires (selon le type de refroidissement choisi) sont un élément essentiel au fonctionnement des piles car elles l'alimentent en gaz réactifs (hydrogène et oxygène de l'air), assurent la tenue mécanique des cellules, la séparation des compartiments anodique et cathodique, le collectage des électrons, et l'évacuation des " sous-produits " eau et chaleur. L'optimisation des propriétés physico-chimiques et mécaniques des plaques, et de leur procédé d'élaboration, permettra de rendre de ce fait la technologie pile à combustible plus accessible Après une étude bibliographique centrée sur les systèmes composites à taux de charges ou de renforts élevé et leurs propriétés physicochimiques, mécaniques et électriques, la 2ème phase sera axée sur une contribution à l'optimisation des formulations par des analyses morphologiques, physiques et physicochimiques pertinentes. La 3ème phase sera dédiée à l'analyse des plaques mono ou bipolaires après tests en piles afin de permettre des choix entre les différentes formulations ou procédés de mise en œuvre des plaques mono et bipolaires et dégager des paramètres pertinents reliés aux propriétés d'usage et à leur évolution au cours du temps en conditions réelles d'utilisation.

Container vessel motions need to be small when loading and offloading cargo while moored to wharfs. Waves and their reflections from structures can induce ship motions. These motions are characterized by six degrees of freedom, including translations of surge, sway, and heave and rotations of pitch, roll, and yaw. Monitoring and quantifying these motions offer a reference for design and selection of the mooring system and wharf types. To measure the six degrees of freedom motions of a container ship moored to a dock, a 1:50 scale model is moored to two types of dock, solid wall dock and pile supported dock. Irregular waves of TMA spectrum with various periods, heights, and directions are generated in the wave basin to induce the motions of the model container ship. Optical motion capturing cameras are used to measure and quantify the six degree of freedom motions. Results of the effects of wave period, significant wave height, and wave direction on the motion characteristics of the model container ship moored at the solid dock and a pile supported dock are described in detail. A numerical simulation called aNySIM is applied to numerically predict the motion characteristics of the container ship moored to a solid wall dock only. The physical model experimental results of solid dock are also compared with the numerical simulation. These comparisons indicate that the motion characteristics of the model container ship represent similar trends for both rotations and translations. The experimental and numerical prediction values of motions of the ship moored to a solid wall dock display the same tendencies while differing in magnitude.

Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la durabilité des PEMFC et s'intéresse plus particulièrement à la dégradation des électrocatalyseurs de type Pt/C qui sont utilisés dans leurs électrodes. L'objectif visé était la détermination des mécanismes responsables de leur dégradation, par combinaison d'expériences d'électrochimie en cellule à trois électrodes, de microscopie électronique en transmission et à balayage, et de spectrométrie de masse (DEMS). Dans un premier temps nous avons mis en évidence que les méthodes de caractérisation employées peuvent influencer les dégradations observées. Ainsi, la morphologie des nanocatalyseurs Pt/C peut-être altérée par l'observation MET elle même, comme d'ailleurs par la séquence de mesures par CO-stripping.

L'objectif de la thèse est d'évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d'électricité couplée au traitement d'effluents de l'industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l'anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu'à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents.