Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2001. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

Th. 3e cycle--Méc.--Toulouse 3, 1977. N°: 2082.

Th. doct. -ing.--Physico-chim. des solides--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 219.

Th. 3e cycle--Physico-chim. des matér.--Toulouse--I.N.P., 1979. N°: 49.

Les recherches effectuées au cours de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet FUI Parex-IT (PARement EXtérieur pour l'Isolation Thermique). Le but de ce projet est de développer un enduit d'isolation thermique par l'extérieur à fort pouvoir isolant pour la réhabilitation. Plus particulièrement, ces travaux concernent la caractérisation mécanique de l'accroche de cet enduit avec son support structurel. Celui-ci est appliqué par projection directe d'une couche de 4 cm d'épaisseur. En considérant un mur enduit, soumis à des sollicitations horizontales telles que le vent ou le séisme, ce type de mise en place implique une transmission d'efforts de la structure vers l'enduit isolant par l'interface entre les deux matériaux. La résistance de cette interface est donc considérée ici comme la zone critique pour une bonne pérennité du complexe. Parallèlement, une étude équivalente a été menée sur un enduit de finition classique, à titre comparatif. Deux échelles ont été prises en compte pour l'étude du comportement de cette interface. Une première à l'échelle locale dont l'objectif est de déterminer un critère de rupture de cette interface. Celle-ci a donc été soumise, expérimentalement, à différents états de contraintes entraînant sa rupture. Cependant, les différences importantes de propriétés mécaniques entre cet enduit et son support sont susceptibles, d'après la bibliographie, de provoquer des concentrations de contraintes du point de vue expérimental. Une analyse numérique a donc été réalisée afin de quantifier les écarts obtenus entre les critères expérimentaux et numériques, pour les deux matériaux testés. A l'échelle d'un mur, l'analyse s'est portée sur une maçonnerie soumise à des sollicitations de cisaillement dans son plan. L'objectif étant tout d'abord d'étudier le comportement d'un mur enduit, et de le comparer à une maçonnerie nue, de référence. Dans un deuxième temps, la pertinence des critères des interfaces support-enduits obtenus à l'échelle locale a été étudiée d'après une étude numérique. Les analyses par corrélation d'images numériques ont, de manière générale, permis de comparer les comportements expérimentaux et numériques pour faciliter la validation des modèles proposés. / This thesis takes part of the FUI project PAREX-IT (PARement EXtérieur pour l'Isolation Thermique). Its main purpose is to develop an efficient insulating coating from the outside, for refurbishment. More particularly, this work investigates the mechanical bond behaviour between this solution and its structural substrate. This thermal insulation is 4 cm thick and pneumatically placed. Considering a coated wall, solicited by wind or seismic loads, this configuration implies a load transfer from the structure to the insulating coating, through the interface between those two materials. The interfacial strength is though considered here as the critical area for a good sustainability of this complex. Meanwhile an equivalent study has been made on a more classical coating, by comparison. Two different scales have been studied. First, a local scale study to determine a failure criterion of this interface, which have been solicited in different states of stresses provoking its failure. However, the important differences of mechanical properties between the tested coatings and the mechanical support can, according to bibliography, provoke stress concentration. A numerical analysis has been conducted to quantify their influence on the parameters of the experimental criterion, for the two tested coatings. At a wall scale, a masonry submitted to shear loads was studied. The objective was to compare the behaviour between a coated wall and an uncoated one, considered as reference. In a second time, a numerical study was performed to confirm the criteria obtained at the local scale. Image correlation has been used to compare the experimental and numerical behaviours to facilitate modelling validation.

L'objectif de cette étude est d'élaborer une membrane thermosensible permettant une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée pour améliorer le confort et la sécurité des sapeurs-pompiers. Plusieurs membranes à base de polyuréthane segmenté ont été synthétisées. L'influence du type de polyol utilisé et sa longueur, et de la quantité de segments rigides a été étudiée. Deux types de mécanisme apparaissent selon la structure chimique du polymère, i.e. une modification en masse et une modification de surface. Celles-ci changent les propriétés de diffusion de l'humidité à travers la membrane. Ces membranes ont ensuite été complexées sur un textile pour renforcer la tenue mécanique, en vue de la confection de la couche entre le sous-vêtement et la veste des sapeurs-pompiers. Ce procédé modifie peu les propriétés des membranes et les produits obtenus semblent présenter une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée en fonction de la température. / This study aims at developing a thermosensitive membrane allowing the water vapor to cross with a function of the temperature to enhance the comfort and the safety of firefighters. Membranes with different chemical structure were synthesized from segmented polyurethane. The influence of the polyol type and its length, and the hard segment content was studied. Two kinds of mechanisms were identified depending on the chemical structure as a bulk modification and a surface modification, that change moisture management properties. Afterwards, membranes were pressed on a textile for higher mechanical properties. The purpose of the final product is to be made inside the firefighter’s personal protective equipment, between the underwear and the jacket. The systems membrane-textile keep the properties of the membrane and present controlled water vapor permeability with the function of the temperature.

Dans le contexte aéronautique, cette thèse, financée par Safran Helicopter Engine, s’intéresse à l’application de l’approche Simulations aux Grandes Échelles (SGE) pour les systèmes de refroidissement de turbine. Le système de refroidissement industriel complexe est divisé en cas académiques plus simples donnant accès à des caractérisations expérimentales de la dynamique et de la thermique. Le jet impactant est traité en tant que système interne et l’écoulement de protection au bord de fuite en tant que système externe. Après une brève introduction du contexte lié au refroidissement de turbine et des objectifs scientifiques, ce manuscrit est divisé en 3 parties. La 1ère partie traite d’un écoulement de jet impactant sur plaque plane représentatif de l’impact à mi-corde. Elle se concentre sur la validation et la qualification des outils et modèles ainsi que sur l’analyse physique de l’écoulement. Les différentes instationarités de l’écoulement sont reliées à la thermique de paroi à l’aide de diagnostics statistiques et d’analyses modales. La 2ème partie s’intéresse à l’impact sur paroi concave représentatif de l’impact au bord d’attaque. Cette étude se concentre principalement sur la caractérisation de l’effet de courbure pour le jet impactant. Contrairement, au consensus actuel sur l’effet de courbure, la réduction des transferts thermiques est observée pour le cas d’étude de cette thèse. Au vu de ces résultats, une discussion est proposée pour tenter d’expliquer cet écart. Finalement, la 3ème partie de ce manuscrit contient une application de la SGE à un système de protection du bord de fuite par film isolant. Dans ce dispositif, des effets de groupe sont mis en évidence. L’impact des choix de modélisation tels que l’hypothèse de périodicité dans la direction de l’envergure est alors évalué. Il est montré que cette hypothèse de périodicité influe sur la prédiction locale de l’efficacité en forçant l’écoulement. En revanche, la prédiction de l’efficacité globale du système de protection n’est pas impactée.

De récentes études ont montré que les ondes électromagnétiques, proche d'une structure diffusante telle qu'une pointe de microscope à force atomique (AFM), peuvent être diffusées et détectées en champ lointain. Ainsi, la détection d'ondes de surface par microscopie optique en champ proche (SNOM) est une technique prometteuse dans le cadre des mesures thermiques aux petites échelles. Une telle technologie prend alors le nom de microscope TRSTM (Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscopy).Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit se scinde en deux étapes. La première a trait à nos travaux expérimentaux basés sur le montage d'un dispositif TRSTM. Nous en décrivons les différentes composantes, ainsi que les difficultés rencontrées liées à son fonctionnement. En outre, divers outils numériques, destinés à détecter et extraire tout signal périodique utile, sont développés. La seconde étape se concentre sur nos travaux numériques. Nous y proposons un modèle de diffusion d'ondes électromagnétiques basé sur la FDTD (Finite-Difference Time-Domain) et la transformation champ proche/champ lointain. Ce modèle a été validé par l'étude de dipôles, puis de sphères dispersives à proximité d'un substrat diélectrique. Alors, un certain nombre de simulations de diffusion d'ondes évanescentes par une pointe, de diverses formes et de divers matériaux, proche d'une interface, est présenté. / Recent studies have shown that electromagnetic waves (in particular the thermal radiation), in the vicinity of a scattering object such as en atomic force microscope (AFM), can be scattered from near to far-field and thus detected. The detection of surface waves through scanning near-field optical microscopy (SNOM) is a promising technique for thermal measurement at small scales. Such technology is known as TRSTM. The thesis work presented in this manuscript is divided into tow part. The first one relates to our experimental work based on the development of a TRSTM device. Its various components are detailed, and the difficulties observed during its utilization are described. Furthermore, several digital tools, used to detect and extract any useful signal, are presented. The second part of our work focuses on the development of a numerical model based on the finite-difference time-domain (FDTD) and the near-field to far-field (NFTFF) transformation for the scattering of electromagnetic waves. This model has been validated by studying different cases of dipoles and dispersive spheres close to a dielectric substrate. Then, several simulations of scattering of evanescent waves by a tip, with various shapes and materials, near an interface, are presented.

Les incendies de tunnels sont des phénomènes violents, à l’évolution rapide qui engendrent la plupart du temps des dommages importants aux personnes et aux biens. La sécurité incendie dans les tunnels routiers est basée sur l’utilisation de modèles empiriques très simplifiés de description de l’évolution de la cinétique de développement de l’incendie. Ces modèles ne prennent cependant pas en compte le type de combustible impliqués dans le phénomène, tels que les polymères constitutifs des enveloppes des véhicules routiers, ni leurs réactivité en phase solide (décomposition thermique). Dans l’optique de faire évoluer la description de l’incendie en fonction des conditions ambiantes caractéristiques d’un tunnel, un modèle prédictif de la décomposition thermique des matériaux a été développé. Ce modèle mathématique a été construit sur la base d’une approche expérimentale à petite échelle faisant intervenir le dispositif du cône calorimètre à atmosphère contrôlée couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourrier. Trois matériaux ont fait l’objet d’une étude approfondie de leur décomposition thermique, en fonction de deux paramètres clés influençant la décomposition des solides lors d’un incendie de tunnel : la concentration d’oxygène ambiante et l’éclairement énergétique imposé aux matériaux. Les résultats obtenus pour les trois matériaux choisis (une mousse Polyisocyanurate, un Ethylène Propylène Diène Monomère et un Acrylonitrile Butadiène Styrène) ont été utilisés pour la construction de régressions polynomiales multifactorielles, méthode également connue sous le nom de méthodologie des surfaces de réponses.Le modèle permet de définir la réponse de la cinétique de décomposition (variable expliquée) et son évolution, en fonction de la concentration d’oxygène locale et de l’éclairement énergétique imposé à la surface d’un matériau (variables explicatives). La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a alors montré la pertinence de ce type d’approche / Tunnel fires are severe phenomenon whose evolution, usually very fast, can lead to important damages to persons and properties. Tunnel fire safety is based on the use of empirical models, very simplified that describes the evolution of the fire kinetic. Nevertheless, these models does not take into account neither the type of material that are involved in the phenomenon, such as constitutive polymers of road vehicles nor their reactivity in solid phase (thermal decomposition). In order to provide an evolution of the fire description, function of the conditions usually encountered in a tunnel, a predictive model aiming to describe materials’ thermal decomposition has been developed. This mathematical model has been established on the basis of an experimental approach, at small scale, using the Controlled Atmosphere Cone Calorimeter coupled to a Fourier Transform Infrared Spectrometer. The thermal degradation of three different materials (Polyisocyanurate foam, Acrylonitrile Butadiene Styrene and Ethylene Propylene Diene Monomer) has been thoroughly assessed function of key parameters that drives the decomposition process during fire: oxygen concentration and heat flux imposed to the materials. Obtained results for the three materials have then been used to construct multifactorial polynomial regressions, using the methodology known as surface response methodology. The model allows defining the response of the decomposition kinetics (explained variable), function of both the oxygen concentration and the heat flux received at the surface of the material (explanatory variable). Comparisons between numerical and experimental obtained results show the relevance of this approach.

La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs. / The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction.