L’objectif de cette thèse est de présenter les travaux d’une analyse thermo-économique d’un système de dessalement par distillation dans l’optique de revaloriser les pertes thermiques industrielles. Les rejets en question sont ceux d’un moteur Diesel utilisé dans une centrale de production d’électricité. Premièrement, une étude préliminaire est faite en utilisant un modèle boite noire. L’optimisation des fonctions objectives de ce modèle a permis de déterminer les paramètres de conception. Ensuite un nouveau modèle d’éjecteur distinct des deux modèles classiques utilisés en thermodynamique (à pression et à section constante) est développé. Les performances des procédés de détente et de compression dans cet éjecteur sont calculées en appliquant un rendement polytropique comme dans les turbomachines. La méthode développée a permis de déterminer toutes les dimensions de l’éjecteur ainsi que la position de l’onde de choc. Enfin une analyse détaillée du système de dessalement est faite pour déterminer le nombre d’effets ou cellules et les conditions qui permettent de satisfaire les conditions optimales obtenues lors de l’analyse préliminaire. L’analyse thermodynamique se base sur un tout nouveau modèle mathématique qui permet de simuler à la fois les deux configurations les plus utilisées en dessalement. De plus, une analyse thermo-économique basée sur l’exergo-économie a permis de calculer le coût de production et les investissements nécessaires.

Les besoins en électronique de puissance, de plus en plus exigeants, ont motivé des recherches à l'échelle mondiale sur d'autres matériaux tels que le diamant comme remplaçant du silicium. Nos travaux de recherche sont plus spécifiquement axés sur la définition et la qualification de matériaux polymères capables de garantir l'intégrité des fonctions physiques de modules de puissance en environnement sévère. L'étude concerne la durabilité de candidats polymères à retenir pour le boîtier dont l'objectif est de protéger l'interrupteur de l'environnement extérieur. Suite aux choix des différents polymères étudiés, variables dans leur chimie et leur morphologie (amorphe ou semi-cristallin), un premier objectif scientifique est alors de chercher les relations structures/propriétés permettant de contrôler le procédé de mise en forme des polyimides semi-cristallins et d'en déduire les conditions requises à l'obtention de performances optimisées. Un second objectif a concerné la tenue des différents matériaux sélectionnés en vieillissements isothermes thermo-oxydatifs. / Requirements in power electronics are more and more demanding about materials behavior in their operating conditions. This has motivated global scale researches about other materials replacing silicon such as diamond. This study is specifically focusing on the definition and qualification of polymer materials which could preserve physical functions of power modules in severe environments. This study focuses on the durability of several polymers used for the case. This later allows to protect the chip from external environment. The choice of different studied polymers which are dissimilar in chemistry and morphology (i.e. amorphous or semicrystalline) has been made in this study. Then, a first scientific goal was to search the structures/properties relations leading to the control of the manufacturing process of semicrystalline polyimides. A second goal concerned the mechanical strength evaluation of selected materials after thermo-oxidative isothermal ageing.

Metasurfaces, introduced as a compact 2D alternative of metamaterials, have developed into a vast field in recent times for light manipulation at an ultra-compact scale. Metasurface applications have found a place in the literature for compact alternatives to lens, holograms, polarizers, color filters. Plasmonic metasurfaces consisting of noble metals such as gold and silver provide light confinement on an unprecedented scale. Gold and silver grown conventionally on transparent substrates are polycrystalline, and exhibit losses and limit performance of the device. Moreover, these materials have a lower damage threshold and melting point. To circumvent the lower melting point and damage thresholds, new materials, and material growing techniques need to be researched. <br>In the first part of this work, a metasurface for color holography with an epitaxially grown silver thin film on a transparent substrate is shown. The demonstrated metasurface has been the first ever epitaxial silver metasurface that operated in the transmission mode. This plasmonic hologram has also been the thinnest metasurface hologram operating in transmission mode at the time of its reporting. The holographic image of all three basic color components of red, green, and blue has been demonstrated in the transmission mode. The control of color has been achieved by resonant sub-wavelength slits and the phase can be manipulated through altering slit orientation. This amplitude and phase control pave the way to applications of ultra-compact polychromatic plasmonic metasurfaces for advanced light manipulation. In the second part, we explore temperature rise due to the optical absorption in plasmonic structures. Titanium Nitride based metasurfaces structures are fabricated, that work in harsh environmental conditions and high temperature. A time domain thermo reflectance technique for rapid measurement of temperature is explored. Finally, a practical design prototype for thermo-photovoltaic (TPV) emitters using plasmonic metasurfaces is fabricated and characterized.<br><br>

Ces dernières années, l'étude de la rupture localisée des structures massives sous chargement thermomécanique est devenue un enjeu important en Génie Civil du fait de l'augmentation du nombre de constructions endommagées ou totalement effondrées après un feu. Deux questions centrales ont émergé : la modélisation mathématique des phénomènes mis en jeu lors d'un feu d'une part et la simulation numérique de ces problèmes d'autre part. Concernant la modélisation mathématique, la principale difficulté est la mise en place de modèles thermomécaniques capables de modéliser le couplage existant entre les effets thermiques et mécaniques , en particulier dans une zone de rupture localisée. Comment le chargement mécanique affecte la distribution de température dans le matériau et inversement, comment le chargement thermique influence la réponse mécanique ? Sont des questions qui doivent être abordées. Ces questions sont d'autant plus difficiles à aborder que l'on considère une zone de rupture où la mécanique des milieux continus classiques ne peut pas être appliquée du fait de la présence de discontinuités du champ de déplacement et, comme cela est démontré dans ce travail, du flux thermique. Pour ce qui concerne la simulation numérique, la complexité du problème multi-physique posé en termes de système d'équations aux dérivées partielles impose le développement de méthodes de résolution approchées adaptées, efficaces et robustes, la solution analytique n'étant en général pas disponible. Cette thèse contribue sur les deux aspects précédents. En particulier, des modèles thermomécaniques pour le béton et l'acier (les deux principaux matériaux utilisés en Génie Civil) capables de contrôler simultanément les phases d'écrouissage accompagnées de plasticité et/ou d'endommagement diffus ainsi que la phase adoucissante due au développement de macro-fissures sont proposés. Le problème thermomécanique est ensuite résolu par une méthode dite «adiabatic operator split» qui consiste à séparer le problème multiphysique en une partie mécanique et une partie thermique. Chaque partie est résolue séparément en utilisant une fois de plus une méthode «d'operator split» dans le cadre des méthodes à discontinuités fortes. Dans ces dernières, une discontinuité du champ de déplacement ou du flux thermique est introduite et gérée au niveau élémentaire du code de calcul Éléments Finis. Une procédure de condensation statique élémentaire permet de prendre en compte ces discontinuités sans modification de l'architecture globale du code de calcul Éléments Finis fournissant les champs de déplacement et de température. Dans cette thèse est également abordée la question de l'évaluation de la réponse jusqu'à rupture de structures en béton armé de type poteaux/poutres soumises à un feu. L'originalité de la formulation proposée est de tenir compte de la dégradation des propriétés mécaniques du matériau due au chargement thermique pour la détermination de la résistance limite et résiduelle des structures mais également de prendre en compte deux types de rupture caractéristiques des structures poteaux/poutres à savoir les ruptures en flexion et les ruptures en cisaillement. Les travaux présentés dans cette thèse pourront être étendus pour décrire la rupture de structures en béton armé dans des cas bi ou tridimensionnels en tenant compte en particulier du comportement de l'interface acier/béton et/ou d'autres types de rupture comme la rupture par fatigue ou le flambage. Une extension possible est également la prise en compte des effets dynamiques mis en jeu lorsque la structure est sollicitée mécaniquement par un tremblement de terre ou un impact en plus de la sollicitation thermique. / During the last decades, the localized failure of massive structures under thermo-mechanical loads becomes the main interest in civil engineering due to a number of construction damaged and collapsed due to fire accident. Two central questions were carried out concerning the theoretical aspect and the solution aspect of the problem. In the theoretical aspect, the central problem is to introduce a thermo-mechanical model capable of modeling the interaction between these two physical effects, especially in localized failure. Particularly, we have to find the answer to the question: how mechanical loading affect the temperature of the material and inversely, how thermal loading result in the mechanical response of the structure. This question becomes more difficult when considering the localized failure zone, where the classical continuum mechanics theory can not be applied due to the discontinuity in the displacement field and, as will be proved in this thesis, in the heat flow. In terms of solution aspect, as this multi-physical problem is mathematical represented by a differential system, it can not be solved by an ‘exact’ analytical solution and therefore, numerical approximation solution should be carried out. This thesis contributes in both two aspects. Particularly, thermomechanical models for both steel and concrete (the two most important materials in civil engineering), which capable of controling the hardening behavior due to plasticity and/or damage and also the softening behavior due to the localized failure, are carried out and discussed. Then, the thermomechanical problems are solved by ‘adiabatic’ operator split procedure, which ‘separates’ the multi-physical process into the ‘mechanical’ part and the ‘thermal’ part. Each part is solved individually by another operator split procedure in the frame-work of embbed-discontinuity finite element method. In which, the ‘local’ discontinuities of the displacement field and the heat flow is solved in the element level, for each element where localized failure is detected. Then, these discontinuities are brought into the ‘static condensation’ form of the overall equilibrium equation, which is used to solved the displacement field and the temperature field of the structure at the global level. The thesis also contributes to determine the ultimate response of a reinforced concrete frame submitted to fire loading. In which, we take into account not only the degradation of material properties due to temperature but also the thermal effect in identifying the total response of the structure. Moreover, in the proposed method, the shear failure is also considered along with the bending failure in forming the overal failure of the reinforced structure. The thesis can also be extended and completed to solve the behavior of reinforced concrete in 2D or 3D case considering the behavior bond interface or to take into account other type of failures in material such as fatigue or buckling. The proposed models can also be improved to determine the dynamic response of the structure when subjected to earthquake and/or impact.

Moderne Methoden für die Einzelzellanalyse werden dank der fortschreitenden Weiterentwicklung immer sensitiver. Dabei steigen jedoch auch die Anforderungen an das Probenmaterial. Viele Aufbereitungsprotokolle adhärenter Zellen beinhalten eine enzymatische Spaltung der Oberflächenproteine, um die Ablösung vom Zellkultursubstrat zu ermöglichen. Verschiedene Methoden, wie die Patch-Clamp-Technik oder eine auf der Markierung extrazellulärer Domänen von Membranproteinen basierende Durchflusszytometrie können dann nur noch eingeschränkt eingesetzt werden. Daher ist die Etablierung neuer Zellablösemethoden dringend notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals PEG-basierte thermo-responsive Oberflächen erfolgreich für die Zellkultur eingesetzt. Dabei wird das zerstörungsfreie Ablösen verschiedener Zelllinien von den Oberflächen durch Temperatursenkung realisiert. Die Funktionalität der Oberflächen wird durch Variation der Polymerstruktur, sowie der Konzentration der Beschichtungslösung, durch Beschichtung der Oberflächen mit einem zelladhäsionsfördernden Protein (Fibronektin) und durch Adsorption zelladhäsionsvermittelnder Peptide (RGD) optimiert. Um den Zellablösungsprozess detaillierter zu untersuchen, wird hier zum ersten Mal der direkte Zellkontakt mit thermo-responsiven Oberflächen mittels oberflächensensitiver Mikroskopie (TIRAF) sichtbar gemacht. Mit dieser Technik sind die exakte Quantifizierung und die Analyse der Reduktion der Zelladhäsionsfläche während des Abkühlens möglich. Hierbei werden in Abhängigkeit von der Zelllinie Unterschiede im Zellverhalten während des Ablösens festgestellt: Zellen, wie eine Brustkrebszelllinie und eine Ovarzelllinie, die bekanntermaßen stärker mit ihrer Umgebung in Kontakt treten, vergrößern im Verlauf des Beobachtungszeitraumes den Abstand zwischen Zellmembran und Oberfläche, reduzieren jedoch ihre Zell-Substratkontaktfläche kaum. Mausfibroblasten hingegen verkleinern drastisch die Zelladhäsionsfläche. Der Ablösungsprozess wird vermutlich aktiv von den Zellen gesteuert. Diese Annahme wird durch zwei Beobachtungen gestützt: Erstens verläuft die Reduktion der Zelladhäsionsfläche bei Einschränkung des Zellmetabolismus durch eine Temperatursenkung auf 4 °C verzögert. Zweitens hinterlassen die Zellen Spuren, die nach dem Ablösen der Zellen auf den Oberflächen zurückbleiben. Mittels Kombination von TIRAF- und TIRF-Mikroskopie werden die Zelladhäsionsfläche und die Aktinstruktur gleichzeitig beobachtet. Die Verknüpfung beider Methoden stellt eine neue Möglichkeit dar, intrazelluläre Prozesse mit der Zellablösung von thermo-responsiven Oberflächen zu korrelieren. / Modern methods for single-cell analysis are becoming increasingly sensitive. At the same time, requirements for the sample material are on the rise. Today, sample preparation of adherent cells usually includes steps of enzymatic treatment to digest surface proteins thus, inducing cell detachment from culture substrates. This strongly limits the application of different techniques like patch clamp or labelling of extracellular domains of membrane proteins for flow cytometry. Therefore, a new cell detachment method is urgently required. In the present work, new PEG-based thermo-responsive polymers are used for cell culture for the first time. Here, non-destructive detachment of different cell lines from polymer-coated surfaces is realised by controlled temperature reduction. The surface functionality is systematically optimised by varying the concentration of the coating solutions, by artificial surface coating of a cell adhesion-mediating protein (fibronectin) and by co-adsorption of a cell adhesion-mediating peptide (RGD). For detailed analysis of the cell detachment process, TIRF microscopy is used to directly visualise the cell contacts on the thermo-responsive surfaces. Using this technique allows both the quantification and analysis of the reduction of the cell adhesion area during sample cooling. Furthermore, for several cell lines, different behaviours in cell detachment are observed. Cells that have close contact to their substrate like MCF-7 breast cancer cell line and CHO-K1 ovary cells increase the distance between cell membrane and surface, but there is only little decrease of cell-substrate adhesion area. In contrast, L929 fibroblasts reduce the cell adhesion area drastically. Furthermore, the hypothesis that the cell detachment is an active process is shown by lowering the cell metabolism by temperature reduction to 4 °C and by the cell traces that are left behind after rinsing the surfaces. A combination of TIRAF and TIRF enables visualising the cell adhesion area and actin structures. Measuring both parameters simultaneously opens up new possibilities to correlate intracellular and cell detachment processes on thermo-responsive surfaces.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation multi-échelle du polyéthylène(PE) en vue d'évaluer l'impact du vieillissement thermo-oxydatif. Cette étude a apporté un premier élément de réponse quant à l'efficacité de quelques méthodes de dosage des hydroperoxydes. Les résultats obtenus ont révélé une différence des concentrations en hydroperoxydes titrées par iodométrie par rapport à celles titrées par SO2 et MDSC lors de la deuxième période c'est-à-dire lors de la décomposition des hydroperoxydes. Cette différence semble directement reliée à l'apparition de double liaison. Les méthodes de dosage par SO2 et MDSC semblent être plus fiables. A l'échelle macromoléculaire, la chute de la masse molaire en poids Mw jusqu'à une valeur asymptotique de deux traduit des phénomènes de coupures de chaînes liés. A l'échelle microstructurale, l'augmentation de Xc est liée aux phénomènes de recuit et de chimicristallisation responsables de la formation et de l'épaississement des lamelles secondaires respectivement. Lors de la seconde période, l'augmentation de Mw liée à la diminution de Xc est due à la réticulation qui est confirmée par l'apparition des doubles liaisons et l'observation d'un gel lors de la dissolution du PEhd. Ces phénomènes de réticulation ont lieu au sein de la phase amorphe mais également à l'interphase avec la phase cristalline / The work of this thesis focused on the multi-scale characterization of polyethylene (PE) to assess the impact of thermo-oxidative aging. This study provided a first answer about the effectiveness of some hydroperoxides titration. The results revealed a difference in hydroperoxides concentrations titrated by iodometry compared to SO2 and MDSC in the second period that correpond to the decomposition of hydroperoxides. This difference appears to be linked to the occurrence of double bond. Titration methods with SO2 and MDSC seem to be more reliable. On the macromolecular scale, the decrease of the molecular weight Mw up to an asymptotic value of two is related to the chain scission process. On the microstructural scale, the increase of Xc is linked to the annealing and the chimicristallisation process which are responsible of the formation and the thickening of secondary lamellae. During the second period, the increase of Mw is related to the decrease of Xc due to crosslinking, which is confirmed by the occurrence of the double bonds and the observation of a gel during the dissolution of HDPE. These crosslinking phenomenon takes place in the amorphous phase but also in the transition region

Les instabilités thermo-acoustiques causent des problèmes récurrents dans les chambres de combustion pour une large gamme d'applications industrielles, allant des chaudières domestiques aux turbines à gaz, en passant par les moteurs fusées. Ces phénomènes résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et les modes acoustiques du foyer, et peuvent donner lieu à de fortes vibrations, un vieillissement prématuré des composants de la chambre, voire des dommages structurels. Les mécanismes physiques mis en jeu sont complexes et difficiles à modéliser, ainsi les oscillations thermo-acoustiques ne sont pas facilement prévisibles au stade de la conception d’une chambre de combustion. Dans de nombreux foyers, des systèmes d’amortissement passifs sont installés pour augmenter la dissipation d’énergie acoustique et empêcher le développement de ces instabilités. Dans ce travail, des systèmes d’amortissement basés sur des plaques perforées couplées à une cavité résonante et traversées par un écoulement moyen sont analysés. Les principaux objectifs sont : (i) d’améliorer et de simplifier la conception de systèmes d’amortissement robustes en maximisant leurs propriétés d’absorption acoustique en régime linéaire, (ii) d’analyser l’effet de l’amplitude des ondes sonores incidentes sur la réponse acoustique des plaques perforées et (iii) de développer des modèles capables de reproduire cette réponse aux hautes amplitudes. Tout d’abord, deux régimes asymptotiques intéressants sont identifiés où le système fonctionne à faibles et forts nombres de Strouhal respectivement. Dans ces régimes la conception d’un système d’amortissement maximisant l’absorption acoustique est grandement simplifiée, puisque les calculs de la vitesse optimale de l’écoulement et de la taille de la cavité sont découplés. Il est démontré qu’à faible nombre de Strouhal le système se comporte comme un résonateur quart d’onde, et dispose d’une bande d’absorption très large. À fort nombre de Strouhal, le système fonctionne comme un résonateur de Helmholtz, comportant une cavité de taille plus réduite, mais une bande d’absorption beaucoup plus étroite que dans le régime précédent. Ces prévisions sont confirmées par des mesures réalisées dans les différents régimes identifiés sur un dispositif expérimental dédié. L’évolution des propriétés acoustiques d’une plaque perforée lorsque l’amplitude de forçage augmente est ensuite examinée par le biais de simulations directes. Il est montré que la transition du régime linéaire au régime non linéaire se produit lorsque l’amplitude de la vitesse acoustique dans l’orifice est comparable à la vitesse de l’écoulement moyen dans les trous. Pour des amplitudes élevées, une inversion périodique de l’écoulement est observée dans l’orifice. Des anneaux tourbillonnaires sont alternativement éjectés en amont et en aval de l’orifice à une vitesse de convection qui augmente avec l’amplitude de la perturbation acoustique. Ces mécanismes influencent profondément l’absorption acoustique des plaques perforées dans le régime non linéaire. Deux nouveaux modèles décrivant la réponse non linéaire de ces systèmes sont ensuite développés en exploitant la trajectoire des vortex (modèle VC), et une approche quasi-stationnaire (modèle IDF). Les prévisions de ces modèles sont confrontées à des mesures effectuées dans le tube à impédance et aux résultats de simulations directes. Les résultats obtenus au cours de ces travaux peuvent être utilisés pour guider la conception de systèmes d’absorption robustes, capables de fonctionner dans des environnements difficiles avec des niveaux sonores élevés, comme ceux rencontrés lors d’instabilités thermo-acoustiques. / Thermo-acoustic instabilities are of primary concern in combustion chambers for a wide range of industrial applications, from domestic boiler to gas turbines or rocket engines. They are the consequence of a resonant coupling between the flame dynamics and the acoustic modes of the combustor, and can result in strong vibrations, early aging of combustor components and structural damage. The physical mechanisms involved are complex and difficult to model, thus thermo-acoustic oscillations are not easily predictable at the design stage of a combustor. In many combustors, passive dampers are implemented to increase the acoustic energy dissipation of the system and to hinder detrimental flame-acoustics interactions. In the present work, passive damping systems based on perforated screens backed by a resonant cavity and traversed by a bias flow are investigated. The main objectives are: (i) to improve and simplify the design of these dampers by maximizing their acoustic absorption properties in the linear regime, (ii) to analyze the effect of the sound wave amplitude on the acoustic response of these systems and (iii) to develop models capable of capturing absorption at high oscillation amplitudes. First, two interesting asymptotic regimes are identified where the plate operates at low and high Strouhal numbers respectively. In these regimes the design of a damper maximizing absorption is greatly simplified, since the choice of the optimal bias flow velocity and back cavity size can be decoupled. It is shown that at low Strouhal numbers the damper behaves as a quarter-wave resonator, and features a wide absorption bandwidth. At high Strouhal numbers, the system operates as a Helmholtz resonator, featuring shorter optimal back cavity sizes but narrower absorption bandwidths. These predictions are compared to measurements in a dedicated experimental setup for the different operating regimes identified. The dependence of the acoustic properties of a perforated plate on the forcing amplitude is then examined by means of direct numerical simulations. It is shown that transition from linear to nonlinear regimes occurs when the acoustic velocity amplitude in the orifice is comparable to the mean bias flow velocity. At high amplitudes, periodic flow reversal is observed within the perforation, vortex rings are alternatively shed upstream and downstream of the hole and convected away at a velocity which is increasing with the forcing amplitude. These mechanisms greatly influence the acoustic absorption of the perforate in the nonlinear regime. Two novel models capturing this nonlinear response are then inferred based on an analysis of the vortex trajectory (VC model), and on a quasi-steady description of the flow (IDF model). Their predictions are finally compared to measurements conducted in an impedance tube, and to results from numerical simulations. The results obtained in this work can be used to ease the design of robust dampers capable of operating in harsh environments with high sound levels, such as those found during self-sustained thermo-acoustic instabilities.

Traditionnellement, les collecteurs d'échappement sont fabriqués en fonte, d'un seul tenant. En raison de l'augmentation des performances des moteurs, des tôles d'acier mécano-soudées sont maintenant utilisées pour améliorer la tenue mécanique du collecteur à haute température. Cette technologie permet de réduire la masse du collecteur et de répondre ainsi favorablement aux normes de dépollution les plus sévères. L'objectif de la thèse est de proposer un modèle numérique de soudure et un critère de ruine associé permettant de prédire la durée de vie de ces structures mécano-soudées soumises à des chargements thermiques anisothermes. La procédure de dimensionnement consiste à simuler plusieurs cycles de chargements et à évaluer le critère de fatigue sur le dernier cycle simulé, considéré comme stabilisé.Dans un premier temps, une étude théorique est menée sur la caractérisation des différents états asymptotiques (adaptation, accommodation et rochet). Elle permet, d'une part de vérifier que l'état stabilisé est effectivement atteint et éventuellement d'estimer le nombre de cycles nécessaires pour l'atteindre, d'autre part de déterminer la nature de l'état limite. Dans un second temps, des essais de durée de vie isothermes, réalisés sur des éprouvettes en tôle, en tôle soudée et en tôle soudée arasée (abrasion du cordon puis polissage de la zone utile) mettent en évidence l'influence de la géométrie et de la microstructure au niveau de la soudure sur la durée de vie de ces structures. Enfin, des essais de durée de vie anisothermes, inspirés de chargements effectivement observés sur le collecteur, ont été réalisés sur des éprouvettes en tôle et en tôle soudée.La rigidité du cordon de soudure est modélisée à l'aide d'éléments coques dimensionnés de sorte à reproduire la déformée des éprouvettes en tôle soudée observée expérimentalement. Différents critères de ruine sont mis au point sur le matériau de base pour caractériser l'endommagement induit par des chargements anisothermes puis sont adaptés à la zone soudée. Enfin, la simulation d'un essai de choc thermique sur un collecteur d'échappement permet de valider le modèle de soudure proposé et de tester la pertinence des critères vis-à-vis de l'application industrielle. / Exhaust manifolds are classically designed in cast-iron. However, the engine performance increasing, the output gas reaches higher temperature, and other types of material like welded steel plates are considered to design exhaust manifolds. These components are subjected to complex thermomechanical loadings which must be taken into account in fatigue design. To limit the computational costs, only a few loading cycles are simulated and a fatigue criterion is used to estimate the lifetime of the structure. This study proposes a junction model combined with a fatigue criterion to assess the lifetime of a welded structure. The model is simple enough to be integrated into a computation on a complete structure and the fatigue criterion is available for anisothermal loadings.The theoretical characterization of the asymptotic states (elastic or plastic shakedown, ratchetting) is studied and adapted to anisothermal loadings in order to check whether the structure reaches a stabilized behaviour and to find the trend line of the evolution of the structure. Then isothermal low cycle fatigue tests are completed up to specimen crack initiation on plate, butt-welded plate and butt-welded plate after smoothing out the weld bead. The geometry and the microstructure of the weld have significant influence on strain localization and on the fatigue lifetime of the specimens. Finally anisothermal tests were completed on welded specimens to reproduce the typical loading seen by welds on exhaust manifolds.The stiffness of the weld is modelled thanks to additional shell elements calibrated to reproduce the deflected shapes of the welded specimens. Various fatigue criteria are developed on the base material to characterize anisothermal damage, and are then adapted to welded zones. The junction model is finally validated thanks to the simulation of a thermal shock on an exhaust manifold and the relevance of the criteria is estimated in relation to the industrial application.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation multi-échelle du polyéthylène(PE) en vue d'évaluer l'impact du vieillissement thermo-oxydatif. Cette étude a apporté un premier élément de réponse quant à l'efficacité de quelques méthodes de dosage des hydroperoxydes. Les résultats obtenus ont révélé une différence des concentrations en hydroperoxydes titrées par iodométrie par rapport à celles titrées par SO2 et MDSC lors de la deuxième période c'est-à-dire lors de la décomposition des hydroperoxydes. Cette différence semble directement reliée à l'apparition de double liaison. Les méthodes de dosage par SO2 et MDSC semblent être plus fiables. A l'échelle macromoléculaire, la chute de la masse molaire en poids Mw jusqu'à une valeur asymptotique de deux traduit des phénomènes de coupures de chaînes liés. A l'échelle microstructurale, l'augmentation de Xc est liée aux phénomènes de recuit et de chimicristallisation responsables de la formation et de l'épaississement des lamelles secondaires respectivement. Lors de la seconde période, l'augmentation de Mw liée à la diminution de Xc est due à la réticulation qui est confirmée par l'apparition des doubles liaisons et l'observation d'un gel lors de la dissolution du PEhd. Ces phénomènes de réticulation ont lieu au sein de la phase amorphe mais également à l'interphase avec la phase cristalline / The work of this thesis focused on the multi-scale characterization of polyethylene (PE) to assess the impact of thermo-oxidative aging. This study provided a first answer about the effectiveness of some hydroperoxides titration. The results revealed a difference in hydroperoxides concentrations titrated by iodometry compared to SO2 and MDSC in the second period that correpond to the decomposition of hydroperoxides. This difference appears to be linked to the occurrence of double bond. Titration methods with SO2 and MDSC seem to be more reliable. On the macromolecular scale, the decrease of the molecular weight Mw up to an asymptotic value of two is related to the chain scission process. On the microstructural scale, the increase of Xc is linked to the annealing and the chimicristallisation process which are responsible of the formation and the thickening of secondary lamellae. During the second period, the increase of Mw is related to the decrease of Xc due to crosslinking, which is confirmed by the occurrence of the double bonds and the observation of a gel during the dissolution of HDPE. These crosslinking phenomenon takes place in the amorphous phase but also in the transition region

La congélation artificielle des terrains est une technique d'imperméabilisation et de renforcement des terrains régulièrement employée dans le génie civil et l'industrie minière. Dans un objectif de prédiction fiable de l'évolution de la congélation dans le milieu poreux, cette recherche propose deux nouveaux modèles numériques permettant la simulation du problème global de la congélation artificielle des terrains. Un premier modèle a pour objectif la représentation des mécanismes couplés thermo-hydrauliques associés à la congélation du matériau tandis qu'un deuxième modèle se concentre sur l'estimation des échanges de chaleur entre un puits de congélation et le terrain environnant. Le modèle thermo-hydraulique, en plus d'être cohérent sur le plan thermodynamique, a été vérifié à la fois par rapport à des solutions analytiques et par rapport à des résultats expérimentaux obtenus à grande échelle en conditions d'écoulements importants. Le modèle puits-terrain adopte une approche innovante par rapport à la bibliographie. Il permet de déterminer les conditions aux limites des modèles de congélation des terrains, difficiles à connaître en pratique, et d'optimiser les conditions opératoires du système grâce à des temps de simulation limités. De par les hypothèses considérées, leur fiabilité et leur praticité d'utilisation, ces deux modèles sont particulièrement adaptés à des sites industriels comme celui de la mine d'uranium de Cigar Lake (Canada) qui présente deux contraintes majeures : la présence potentielle d'écoulements importants et la forte hétérogénéité des terrains à congeler. Dans de tels contextes, des applications d'utilisation conjointe des deux modèles ou non sont présentées par rapport à des cas simples et au cas industriel de Cigar Lake. Ils peuvent ainsi être employés pour prédire l'évolution de la congélation dans le terrain en tenant compte des interactions thermo-hydrauliques, pour optimiser le système de congélation, ou encore pour évaluer l'impact sur la progression des zones congelées de conditions géologiques, hydrogéologiques et opératoires particulières. / Artificial ground freezing is a ground sealing and reinforcement technique regularly used in civil and mining engineering. In order to reliably predict the freezing evolution in the porous medium, this research offers two new numerical models allowing the simulation of the global problem of artificial ground freezing. A first model aims at representing the thermo-hydraulic coupled mechanisms associated with the material freezing while a second model focuses on the estimation of heat transfers between a freeze pipe and the surrounding ground. The thermo-hydraulic model, in addition to being thermodynamically consistent, has been verified both with respect to analytical solutions and large- scale experimental results obtained under conditions of high water flow velocity. The pipe-ground model adopts an innovative approach compared with literature. It allows to determine the boundary conditions of the ground freezing models, not readily available in practice, and to optimize the operating conditions of the system thanks to limited simulation times. By the considered assumptions, their reliability and their practicality, these two models are particularly well adapted to industrial sites like the uranium mine Cigar Lake (Canada) which presents two major constraints: the potential presence of high seepage-flow velocities and the strong ground heterogeneity. In these contexts, applications of the two models, jointly used or not, are presented with respect to simple cases and to the industrial case of Cigar Lake. They can be employed to predict the freezing evolution in the ground considering the thermo-hydraulic interactions, to optimize the freezing system, or to evaluate the impact of specific geological, hydrogeological and operating conditions on the freezing progress.