La résolution analytique du problème de la stabilité d’une suspension solide (particules rigides de forme sphérique) dans le système de Taylor-Couette cylindrique a été menée. On s’est basé sur les travaux de Ali and Lueptow (2002) pour formuler les équations régissant la stabilité de l’écoulement dans le cadre d’une théorie linéaire. Ces équations sont valables dans l’approximation du faible espace annulaire et ont pour but la prévision de l’instabilité primaire. A cet effet, nous avons utilisé une méthode variationnelle telle que la méthode de Galerkin pour résoudre le problème aux valeurs propres conduisant à établir le diagramme de stabilité liée au nombre d’onde au voisinage de l’état critique du développement de la première instabilité. Tout d’abord, on a cherché à mettre au point les calculs dans le cas de l’écoulement de Taylor-Couette classique en se référant aux travaux de Ali and Lueptow (2002). Ensuite on a procédé à la résolution systématique des équations du mouvement et l’on cherche à déterminer le critère d’apparition des instabilités en présence de particules en suspension et l’on détermine simultanément les paramètres de couplage entre forces d’interaction liquide-solide. L’ensemble des travaux ainsi réalisés permettront de lever la contradiction fondamentale entre la théorie et l’expérience. L’étude expérimentale a permis d’analyser les effets de la concentration des particules en suspension (disques) et du rapport d’aspect radial ’ sur l’apparition des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Le dispositif expérimental utilisé est constitué d’un cylindre intérieur tournant et le cylindre extérieur est maintenu fixe. Le comportement rhéologique du fluide utilisé est viscoplastique obéissant au modèle de Herschel Bulkley. L’apparition des instabilités est examinée en utilisant une technique de visualisation. Pour une concentration donnée dans l’intervalle étudié, la nature des structures apparaissant dans le système d’écoulement dépend ’, alors que pour une valeur donnée de ’ dans l’intervalle étudié, la valeur du nombre de Taylor critique Tac dépend de la concentration des particules. Nous avons obtenu que le nombre de Taylor critique Tac correspondant au déclenchement de la première instabilité évolue non linéairement en fonction de ’. De plus, nous avons examiné expérimentalement les effets de limitation axiale (effet de bords) sur le déclenchement des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Les résultats obtenus montrent que les bords tournants n’affectent pas le type de structures qui apparaissent dans le système d’écoulement de Taylor-Dean. Cependant, ils influencent le seuil critique d’apparition des instabilités qui est marquée par des valeurs élevées du nombre de Taylor critique pour des bords tournants ce qui indique un effet stabilisant des bords mobiles. / The analytical solution of the stability problem of a solid suspension (rigid spherical particles) in the system of cylindrical Taylor-Couette was conducted. We are based on the work of Ali and Lueptow (2002) to formulate the equations governing the stability of the flow in a linear theory. These equations are valid in the approximation of small gap configuration and aim to predict the primary instability. For this purpose, we used a variational method such as the Galerkin method to solve the eigenvalue problem leading to establish the stability diagram related to the wave number in the vicinity of the critical state of development of the first instability. First, we develop the calculations in the case of Taylor-Couette flow with reference to classic work of Ali and Lueptow (2002). Then, we carried out a systematic solution of the equations of motion and we search to determine the criterion of onset of instabilities in the presence of suspended particles and coupling parameters are simultaneously determined from liquid-solid interaction force. All work carried out and will remove the fundamental contradiction between theory and experiment. The experimental study has analyzed the effect of the concentration of suspended particles (disks) and radial aspect ratio ' on the occurrence of instabilities in the Taylor-Dean flow system. The experimental device used consists of a rotating inner cylinder and the outer cylinder is stationary. The rheological behavior of the fluid is viscoplastic obeying to Herschel Bulkley model. The onset of instability is examined using a visualization technique. For a given concentration in the range studied, the nature of the structure appearing in the flow system depends on ', while for a given value of ' in the range studied, the value of the critical Taylor number Tac depends on the particle concentration. We obtain that the critical Taylor number Tac corresponding to the onset of the first instability evolves nonlinearly versus '. In addition, we examined experimentally the effect of axial limitation (endwall effects) on the onset of instabilities in the Taylor-Dean flow system. The results show that the rotating endwalls do not affect the type of structures that appear in the Taylor-Dean flow system. However, they influence the threshold of appearance of instabilities which is characterized by high values of the critical Taylor number for rotating endwalls indicating a stabilizing effect of the rotating endwalls.

No description available.

Le procédé d’estampage à chaud est considéré comme l'un des procédés les plus prometteurs de micro-Réplication pour l'élaboration des micro-Composants ou nano-Composants avec des matériaux polymériques dans différents domaines d'application . La mémoire consiste à caractériser les propriétés physiques des polymères thermoplastiques amorphes (PS, PMMA et PC) sur une large plage de température, ainsi que la modélisation physique, la simulation numérique et vérification expérimentale du procédé d’estampage à chaud.[...]Les propriétés visco élastiques des polymères retenus ont été caractérisées avec les essais décompression dynamiques. Le module de conservation, le module de perte et le facteur d'amortissement de polymère PMMA à partir de la température ambiante jusqu'à légèrement au-Dessus de Tg ont été obtenues. Le comportement visco élastique des polymères a été décrit par un modèle de Maxwell Généralisé et un bon accord a été observé. La simulation numérique des étapes du remplissage de procédé d’estampage à chaud a été réalisée enprenant compte des propriétés visco élastiques de polymère. Les effets de la température et dela pression de compression sur l'exactitude de réplication dans le procédé d’estampage à chaud ont été étudiés.[...]Un nouveau moule de compression complet, y compris le système de chauffage, le système de refroidissement et le système de vide a été développé dans notre groupe de recherche. Les dispositifs micro fluidiques avec la dimension de la cavité : environ 200 μm, 100 μm et 50 μmen PS, PMMA et PC plaque (épaisseur de 2 mm) ont été élaborés par le procédé d’estampage à chaud. Les effets des paramètres du procédé, tels que l’entrefer imposé, la température décompression, la matière compressée et la dimension de micro cavité, sur l’exactitude de réplication du procédé d’estampage à chaud ont été étudiés. / Hot embossing process is considered as one of the most promising micro replication processes for the elaboration of micro or nano components with polymeric materials invarious application fields. The thesis consists to characterize the physical properties of widelyused amorphous thermoplastic polymers (PS, PMMA and PC) over a large temperature range,along with the physical modelling, numerical simulation and experimental verification of thehot embossing process.[...] The polymers’ viscoelastic properties have been characterized with the dynamical compression tests. The storage modulus, loss modulus and damping factor of PMMA polymerfrom ambient temperature to lightly above Tg have been obtained. The viscoelastic behaviourof polymer has been described by a proposed Generalized Maxwell model and a good agreement has been observed. The numerical simulation of filling stage of hot embossing process has been achieved by taking into account of polymer’s viscoelastic properties. Theeffect of compression temperature and pressure on the replication accuracy in hot embossing process has been investigated in the simulation.[...] A new complete micro compression mould tools, including heating system, cooling system and vacuum system have been developed in our research group. The microfluidic devices with the cavity dimension eq. to about 200 μm, 100 μm and 50 μm in PS, PMMA and PC plate(thickness eq. to 2 mm) have been elaborated by the hot embossing process. The effects of the processing parameters, such as the compressive gap imposed, compression temperature, embossed material and die cavity dimensions, on the replication accuracy of hot embossing process have been investigated.

L’utilisation de composites à matrice thermoplastique renforcée par fibres courtes (TRFC) connait une forte croissance pour une large gamme d’applications industrielles pour des conditions de chargement extrêmes (e.g. pare-chocs d’automobiles). Il est donc indispensable de développer des modèles de comportement des TRFC tenant compte des spécificités du matériau pour une large gamme de vitesse de déformation. Toutefois, le comportement de ces composites est complexe. Cette complexité est due, en premier lieu, au comportement viscoélastique (VE)-viscoplastique (VP) de la matrice avec une sensibilité à la pression. A cela s’ajoute les caractéristiques complexes du renfort en termes de distributions d’orientation des fibres courtes. De plus, le comportement de ces composites est affecté par des phénomènes d’endommagement coexistants (e.g. endommagement de la matrice et décohésion l’interface fibre/matrice). Dans ce travail, un modèle permettant la prise en compte de l’ensemble de ces phénomènes est proposé. Sa formulation est basée sur la décomposition du matériau en un milieu matriciel et plusieurs milieux de fibres, sur la base d’une décomposition additive du potentiel thermodynamique. Cette approche permet une implémentation simplifiée avec une résolution successive (mais non indépendante) du comportement de chaque milieu. Un avantage immédiat est la possibilité de prendre en compte tout type de comportement matriciel et tout type d’orientation. L’interface fibre/matrice, siège de la transmission de l’effort est modélisée par un transfert par cisaillement, avec sur une hypothèse locale d’iso-déformation dans la direction de la fibre. L’endommagement ductile de la matrice est pris en compte par un modèle d’endommagement anisotrope. La dégradation de l’interface fibre/matrice est décrite par un modèle de décohésion initiée en pointe de fibres. Un critère de rupture se basant sur le taux maximal de vide crée par décohésion est enfin introduit. La caractérisation du modèle est basée sur des campagnes d’essais quasi-statiques et dynamiques pour le cas de polypropylène pur et renforcé par fibres courtes de verre, à différents angles de chargement par rapport à la direction d’injection. Ces essais sont complétés par des observations au microtomographe permettant la caractérisation des distributions d’orientation locale des fibres. Des observations au MEB ont enfin permis de constater une éventuelle influence de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes d’endommagement. / Short fibre-reinforced composites are commonly used in a variety of engineering applications, including automotive and aerospace industry. Today, their use is progressively extended to parts possibly subjected to severe loading conditions (e.g. crash...), characterised by high strain rates. Therefore, an efficient modelling that takes into account material’s specificities at a large strain rate range is needed. A constitutive model of viscous behaviour of short-fibre reinforced composites (SFRC) where complex distributions of fibre orientations are taken into account is proposed in this work. The approach considered for the computation of composite macroscopic behavior is based on an additive decomposition of the state potential. The SFRC is assimilated to an assembly of several fibre media embedded in a polymeric matrix medium. One of the main assets of this approach is the possibility to model reinforcement with complex distributions of fibre orientations. Moreover, this decomposition allows the implementation of complex behaviour laws coupled with damage models. The polymeric matrix behaviour is typically strain-rate sensitive, i.e. viscoelastic-viscoplastic. This property has to be taken into account when the modelling of the composite behaviour over a large range of strain rate is intended. Therefore, a viscoelastic constitutive model, based on generalised Maxwell model, and a viscoplastic correction scheme, based on an overstress approach, are implemented for matrix material. The developed constitutive model is then coupled to two damage laws. The first one is introduced in the framework of Continuum Damage Mechanics in order to model the anisotropic ductile damage behaviour of the matrix material. The second one deals with fibre/matrix interfacial degradation through an interfacial debonding law. In order to identify the parameters involved in the present model, experimental tests are performed (case of polypropylene reinforced with short glass fibres). Microcomputed tomography is used for the characterisation of the fibres distribution of orientation. The efficiency of the proposed model is demonstrated by comparisons between numerical and experimental responses in different loading conditions, including dynamic loadings.

Les renforts à base de fibres de lin sont aujourd’hui une alternative capable de concurrencer les fibres synthétiques conventionnelles puisqu’ils sont écologiques, économiques et présentent des propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, leur inconvénient majeur est leur absorption d’eau potentiellement importante qui affecte leurs propriétés mécaniques. Ce projet de recherche propose d’étudier le comportement hygroscopique et le couplage hygro-mécanique dans les composites lin / époxy. Cette étude repose sur une approche expérimentale multi-échelle et une modélisation du comportement visco-élasto-plastique avec prise en compte du couplage hygro-mécanique des composites renforcés par des fibres de lin. Les cinétiques de diffusion dans l’époxy et dans le composite ont été modélisées par une loi de type Langmuir et Fick respectivement. Les coefficients d’hygro-expansion des composites et des fils élémentaires qui constituent le renfort tissu ont été déterminés expérimentalement. Une étude de l’influence du conditionnement jusqu’à saturation à différentes humidités relatives sur le comportement mécanique dans les trois directions du stratifié a également été menée. Cette étude a montré l’existence d’une teneur en eau optimale pour laquelle les propriétés mécaniques sont optimales. L’émergence d’un comportement à deux régions linéaires a été mise en évidence et attribuée à la présence d’hétérogénéités locales au sein du renfort tissu. Des essais de fluage / recouvrance et de relaxation / effacement ont permis de mettre en place un modèle visco-élasto-plastique avec prise en compte du couplage hygro-mécanique. Ce modèle offre de bonnes capacités de prédiction et permettra de prévoir le comportement des structures composites renforcés par des fibres de lin en atmosphère humide. / Flax fibre reinforcements are nowadays an alternative able to compete with conventional synthetic fibres since they are ecological, economic and have interesting mechanical properties. However, their major drawback is their potentially significant water absorption which affects their mechanical properties. This research project proposes to study the hygroscopic behaviour and hygro-mechanical coupling in flax / epoxy composites. This study is based on a multi-scale experimental approach. A modelling of visco-elasto-plastic behaviour taking into account the hygro-mechanical coupling within flax /epoxy composites is established. The diffusion kinetics in composites were modelled by a Fick law. However, the diffusion kinetics in epoxy were modelled by a Langmuir law. The hygro-expansion coefficients of the composites and the elementary yarns that constitute the fabric reinforcement were determined experimentally. A study of the influence of conditioning until saturation at different relative humidities on the mechanical behaviour in the three main directions of the laminates was conducted. This study showed the existence of an optimal water content for which the mechanical properties are maximum. The emergence of a two-linear-region behaviour was pointed out and attributed to the presence of local heterogeneities within the fabric reinforcement. Creep / recovery and stress relaxation tests were exploited in order to develop a visco-elastoplastic model with consideration of the hygro-mechanical coupling. This model offers good predictive capabilities and could be used to predict the behaviour of flax fibres reinforced composite structures in humid atmospheres.

This dissertation thesis deals with the improvement of computational approaches for prediction of residual stresses in welded joints of welded structures in order to ensure greater compliance of the calculated results with the real conditions of welding and heat treatment. The improvement of computational approaches is based on application of elastic-viscoplastic material models which are able (compared with elastic-plastic material models) to take into account the viscoplastic processes ongoing during welding and heat treatment. This leads to more accurate calculated results which enter into further assessment of limit states and directly decide on the safety and lifetime of welded structures. Performed computational and experimental works, confronted with results published in the world, confirm the influence and benefit of application of elastic-viscoplastic material models in the frame of welding and heat treatment numerical analyses. Therefore elastic-viscoplastic material model is further applied in solution of practical project solved by IAM Brno. Solution of this project, whose aim is the development of repair of dissimilar metal welds (without post-weld heat treatment) in Dukovany and Temelin nuclear power plants using "Weld overlay method", has confirmed that application of elastic-viscoplastic material model leads to more accurate calculated results. For this reason the elastic-viscoplastic computational approach will be included into all future tasks of IAM Brno.

Ziel der Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln, mit der das zeitabhängige Verformungsverhalten von Hochtemperaturbauteilen unter thermomechanischer Beanspruchung (TMF) im Vorrissstadium besser vorhergesagt werden kann, ohne dass sich der Aufwand gegenüber anderen bekannten Konzepten erhöht.

[pt] Estenose é uma constrição ou estreitamento de um duto ou de uma passagem. Este termo é usado freqüentemente em referência a constrições que ocorrem em vasos sangüíneos, especialmente em artérias. Um vaso estenótico geralmente causa estagnação do fluxo sangüíneo e portanto a formação de trombos, os quais podem ser bastante pre- judiciais à saúde humana. Neste trabalho realizam-se experimentos com a técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV) a fim de estudar o escoamento de um líquido que possui uma tensão limite de escoamento (ou líquido viscoplástico) através de um tubo na vizinhança de uma constrição axissimétrica. Escolheu-se a reologia do líquido de modo a se aproximar daquela do sangue de hematócrito igual a 54%. Estudaram-se números de Reynolds e números de escoamento característicos para diferentes artérias. Obtiveram-se também resultados para fluidos Newtonianos, para fins de comparação. Entre outros resultados, observou- se que a reologia não Newtoniana causa mudanças significativas no padrão de escoamento na vizinhança da estenose. Como as condições para formação de trombos estão diretamente relacionadas com o padrão de escoamento, estudos do escoamento do sangue através de artérias com estenose que supõem uma reologia Newtoniana podem levar a conclusões errôneas. / [en] Stenosis is a constriction or narrowing of a duct or passage. This word is often used to refer to constrictions that occur in blood vessels, especially arteries. A stenotic vessel generally causes blood flow stagnation and hence formation of thrombus, which may be rather harmful to the human physiology. In this work we perform particle image velocimetry (PIV) experiments to study the flow of an yield-stress (or highly shear-thinning) liquid through a tube in the neighborhood of an axisymmetric constriction. The rheology of the liquid was chosen to be close to the one of blood with 54% hematocrit. Reynolds and Yield number values characteristic to different arteries have been studied. Results for a Newtonian liquid were also obtained, for comparison purposes. Among other findings, it has been observed that the non-Newtonian rheology causes a significant change in the flow pattern in the neighborhood of the stenosis. Because the conditions for thrombus formation are directly related to the flow pattern, studies of the flow through stenotic vessels that assume a Newtonian rheology may lead to erroneous conclusions.

[pt] Uma abordagem experimental foi utilizada para o estudo da eficiência de varredura de fluidos viscoplásticos na célula de Hele-Shaw , que representa um meio poroso com porosidade constante. A análise baseia-se em um fluido empurrando outro onde, pela razão de viscosidades acima do punto de referência , manifesta-se a instabilidade de Saffman-Taylor, que desencadeia em uma interface instável com divisões sucessivas conhecidas como viscous fingers. A formação da instabilidade é considerada uma condição indesejável, e no caso da indústria petrolífera, torna-se de interesse na invasão da formação pelo fluido de perfuração, pasta de cimento, e no deslocamento de petróleo pesado em reservatórios entre outros. Apesar de que o fenômeno é vastamente estudado utilizando a célula de Hele-Shaw, a maioria dos trabalhos concentram-se no deslocamento de líquidos newtonianos por ar, deixando uma ampla gama de possibilidades de estudo, particularmente no que diz respeito aos fluidos não newtonianos. Utilizando equipamentos que permitem assegurar uma vazão constante de injeção, testou-se três concentrações diferentes de solução aquosa de carbopol em duas configurações diferentes onde o líquido viscoplástico é o deslocador e vice-versa. Fazendo uso do processamento digital de imagens, avaliou-se a forma da interface em função do desvio padrão, além da velocidade e da eficiência de varredura no deslocamento. Determinaram-se parâmetros adimensionais em função da geometria da bancada e dos fatores dinâmicos e reológicos dos fluidos onde se obtiveram duas zonas vem marcadas de varredura. Observou-se que a razão de viscosidades e o número de capilaridade modificada crítica são os indicadores que governam o deslocamento. / [en] An experimental approach has been used to study the sweep efficiency of viscoplastic fluid in a Hele-Shaw cell, which represents a porous medium with constant porosity. The analysis is based on a lower viscosity fluid pushing a more viscous through a geometry, which manifests the instability of Saffman-Taylor, that result in an unstable interface with successive divisions known as viscous fingers. The occurrence of instability is considered an undesirable condition, and in the petroleum oil industry, it becomes of interest in the reservoir oil invasion and heavy oil displacement in reservoirs. Despite being widely studied, most studies focus on the displacement of Newtonian liquids by air, leaving the field of study of non-Newtonian fluids without being evaluated where none of viscosities of the fluids involved can be considered negligible. Using equipment that ensures a constant flow rate of injection three different aqueous concentrations of carbopol were tested in two different configurations: carbopol as the displacing fluid and vice-versa. Using digital image processing, the shape interface was evaluated according to their standard deviation, average velocity and efficiency sweep during the displacement. Determined dimensionless parameters was evaluated in function of the experimental geometry, dynamic and rheological factors of the fluids in order to get benchmark that allow separating interfaces zones that tend to 100 per cent or plugs and the zone where the viscous fingers reveal themselves. It was found that the viscosity ratio and modified critical capillary govern the displacement.

Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé / The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed