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Sujets de thèse susceptibles d’être financés par un contrat doctoral Université de Lorraine - Ecole Doctorale EMMA à partir d’octobre 2017 Rhéologie des polymères semi-cristallins (PSC) : modélisation par approche champs de phases et calculs mécaniques couplés. Directeurs de thèse : Stéphane ANDRE, Julien BOISSE Caractérisation expérimentale de gouttes d’eau dans des conditions aéronautiques givrantes. Directeurs de thèse : Fabrice LEMOINE, Alexandre LABERGUE Ecoulement d’une suspension active de bactéries en milieu confiné : caractérisation rhéologique et propriétés de transport. Directeurs de thèse : Mathieu JENNY, Nicolas LOUVET Transferts et métrologie thermiques de nano-objets semi-conducteurs par Microscopie Thermique à Balayage. Directeurs de thèse : David LACROIX, Gilles PERNOT Modélisation des transferts de chaleur couplés dans les tissus biologiques : étude du mécanisme de dénaturation tissulaire. Directeurs de thèse : Fatmir ASLLANAJ, Olivier FARGES Comportement thermo-hydro-mécanique (THM) des remblais de stockage énergétiques. Directrices de thèse : Farimah MASROURI, Sandrine ROSIN-PAUMIER Effets de la pente et du vent sur les feux de végétation. Etude à l’échelle du laboratoire. Directeurs de thèse : Anthony COLLIN, Zoubir ACEM SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : Rhéologie des Polymères: Modélisations spectrales de comportement par approche champ de phases et calculs mécaniques couplés ENCADREMENT Prénom, Nom : Stéphane André (Dir), Julien Boisse (CoDir) Email et téléphone : [email protected], [email protected] Lieu où sera réalisée la thèse : LEMTA, Université de Lorraine, Vandoeuvre Brabois. CONTEXTE : A l'exception de la dynamique moléculaire (échelle du nm), aucun travail de modélisation ne s’emploie à décrire les microstructures des Polymères Semi-Cristallins (PSC) à l’échelle du micromètre. Pourtant, lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement, une description correcte des micro mécanismes de déformation est indispensable pour comprendre la rhéologie de ces systèmes à l’échelle de l’ingénieur. Les méthodes de "champ de phases", couramment employées dans le domaine des matériaux métalliques, peuvent offrir à ce titre des perspectives innovantes. DEVELOPPEMENT DU SUJET : L’objectif de science fondamentale proposé ici est d’adopter une méthode de champ de phase pour simuler l’évolution topologique complexe des deux phases (cristal-amorphe) des PSC, et de la coupler à un calcul de mécanique à l’échelle du Volume Elementaire Représentatif. La procédure doit permettre de mieux décrire le comportement rhéologique tri-dimensionnel pour le rapprocher des observables issus par exemple de techniques de diffusion de lumière ou tomographie X 3D (cf Fig.). Les méthodes spectrales s'appuyant sur la transformée de Fourier sont particulièrement indiquées pour aborder ce problème et seront au cœur du travail doctoral. Les codes de mécanique spectraux tels Craft ou Damask pourront servir de base de travail moyennant une bonne prise en compte de la viscoélasticité de la phase amorphe et du calcul en grandes transformations. En parallèle, des modèles originaux des structures sphérolitiques présentes dans les PSC seront construits. Ils permettront de conduire des calculs visant à reproduire une sollicitation mécanique évoluant dans le temps, séquencés selon l'alternance: résolution mécanique des champs de contrainte et déformation, calcul d'une nouvelle conformation géométrique de la microstructure. Un objectif emblématique serait de parvenir, à l'instar du phénomène de mise en radeau des supers-alliages métalliques (Figa,b), de reproduire l'évolution des PSC vers une structure micro-fibrillée sous traction (Fig c) (a) COMPETENCES REQUISES : (b) (c) Mise en radeau dans les superalliages à base Nickel. (a) simulation par champ de phases avec elasto-viscoplasticité, (b) observation MET , (c) µtomographie X 3D d’un PEHD déformé Le candidat doit avoir développé pendant ses études supérieures des compétences fortes dans le domaine des sciences des matériaux et/ou de la mécanique de solides avec une composante non-négligeable de calcul scientifique et langages de programmation. Une compétence en calcul de structure (EF) pourra être bienvenue. SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : Caractérisation expérimentale de gouttes dans des conditions aéronautiques givrantes ENCADREMENT Prénom, Nom : Fabrice Lemoine (Directeur) et Alexandre Labergue (co-directeur) Email et téléphone : [email protected] ; 03 83 29 68 36 Lieu où sera réalisée la thèse : LEMTA, site de Brabois CONTEXTE : Le projet s’inscrit dans la problématique générale du givrage des aéronefs (solidification de gouttes d’eau surfondues après impact sur des parois). Les équipements de protection contre le givrage sont généralement certifiés via des souffleries reproduisant des conditions givrantes. Néanmoins, un doute subsiste quant à la représentativité de ces conditions par rapport à celles rencontrée dans l’atmosphère. Pour répondre en partie à cette question, un projet porté par le LEMTA (http://lemta.univ-lorraine.fr/data/Dev_diag_gouttes.pdf) et financé par la DGA a pour ambition de développer de nouveaux diagnostics optiques pour caractériser des gouttes surfondues (températures et fraction de glace). Ainsi, la thèse consiste à étendre la technique actuelle de fluorescence induite par laser (LIF) pour accéder à ces deux paramètres. DEVELOPPEMENT DU SUJET : La LIF est une technique optique non intrusive qui permet de mesurer la température de gouttes évoluant dans un environnement gazeux. Le principe réside sur la dépendance en température du signal de fluorescence d’un traceur préalablement dilué dans un liquide et excité par une source laser. Cette technique a été exclusivement appliquée dans le cas de gouttes en forte évaporation ou en combustion. L’objectif de la présente thèse est donc de poursuivre le développement de la LIF dans le cas de gouttes surfondues dont la température est fortement négative. L’originalité du projet réside également dans l’exploitation du signal de fluorescence pour caractériser la fraction de glace contenue dans les gouttes surfondues ou en cours de congélation. Globalement, le travail se répartit en trois phases : (1) développement de la technique de fluorescence induite par laser -LIF, (2) mise en œuvre de la technique sur des gouttes surfondues à basses vitesse en colonne givrante (∼10 m/s), et (3) validation dans des conditions proches de celles rencontrées dans le domaine aéronautiques (150 m/s). Cette dernière phase se déroulera en particulier sur le site du centre d’Essais Propulseur de la DGA à Saclay. Par ailleurs, ces données expérimentales permettront à l’aide d’une modélisation des échanges de chaleur entre la phase liquide et la phase porteuse, d’analyser la représentativité des conditions d’essais obtenues dans une soufflerie givrante comparées à celles réellement rencontrées par les aéronefs en vol. La thèse s’appuiera entre autre sur les moyens suivants : i-Dispositif de qualification des traceurs fluorescents (spectroscopie, étalonnage) ii-Colonne givrante du LEMTA (Figure ci-contre) permettant d’injecter des gouttes à environ 10 m/s dans un air refroidit jusque – 40 °C, iii-Dispositif de génération de gouttes surfondues (150 m/s) à hautes vitesses de la DGA, iv-Outils numériques développés par le LEMTA et la DGA pour la simulation du refroidissement de gouttes. COMPETENCES REQUISES : - CONNAISSANCE EN MECANIQUE DES FLUIDES ET TRANSFERTS THERMIQUES GOUT AVERE POUR LE TRAVAIL EXPERIMENTAL, LES TECHNIQUES DE MESURES AVANCEES SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : Ecoulement d’une suspension active de bactéries en milieu confiné : rhéologie et propriétés de transport. ENCADREMENT Prénom, Nom : Mathieu JENNY (Directeur), Nicolas LOUVET (co-directeur) Email et téléphone : [email protected], [email protected], tel : 03.83.59.57.27 Lieu où sera réalisée la thèse LEMTA, Université de Lorraine, Vandoeuvre Brabois. CONTEXTE : L’étude physique des systèmes actifs, notamment ceux composés de bactéries, est un domaine en plein essor à l’interface entre la physique et la microbiologie. De nombreuses perspectives en bio-ingénierie sont envisageables mais nécessitent une connaissance plus approfondie du comportement rhéologique de ces suspensions actives. Plus précisément, de nouvelles expériences doivent être menées afin de quantifier l’impact de la dynamique des bactéries sur le comportement macroscopique de la suspension. DEVELOPPEMENT DU SUJET : La ligne conductrice de ce travail de thèse est de mettre en évidence et de quantifier le lien entre la dynamique des bactéries et les propriétés d’écoulement de la suspension active à l’échelle macroscopique. Dans un premier temps des expériences d’écoulement en micro-canaux couplées à des mesures de champ des vitesses par micro-PIV nous permettrons d’accéder à la rhéologie locale de la suspension. En complément de ces mesures nous visualiserons et caractériserons, par des méthodes de tracking, la dynamique des bactéries dans l’écoulement : trajectoires, effets collectifs, profil de concentration. Ces informations seront corrélées aux mesures rhéologiques afin d’obtenir une vue d’ensemble du comportement de la suspension. Dans un second temps nous évaluerons la capacité de la suspension active à se propager dans un milieu poreux par des approches en micro-modèles poreux 2D. L’influence de la mobilité des bactéries sur les phénomènes de dispersion sera entre autre caractérisée par des courbes de percée indiquant le comportement fickien/non-fickien de la suspension. Si l’avancée du projet le permet, des expériences préliminaires en poreux à 3D (empilement de billes) seront envisagées. L’outil IRM disponible au laboratoire sera utilisé pour suivre l’évolution de la propagation de bactéries dans le milieu. (a) (b) Figure (a) : rhéologie en micro-canaux d’une suspension active de bactéries non-motiles (étoiles noires) et motiles (ronds rouges). (b) Système de µ-PIV disponible au laboratoire. COMPETENCES REQUISES : Le candidat devra posséder des compétences en mécanique des fluides ainsi qu’un goût prononcé pour la recherche expérimentale. Des connaissances en rhéologie seraient un plus. Le candidat devra faire preuve d’ouverture pour réaliser un travail à l’interface entre la physique et la microbiologie. SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr Transferts et métrologie thermiques de nano-objets par microscopie thermique à balayage ENCADREMENT : D. Lacroix, [email protected] (03 83 59 55 19) ; G. Pernot, [email protected] (03 83 59 57 42) ; LEMTA, ENSEM – 2 avenue de la forêt de Haye, Vandoeuvre les Nancy CONTEXTE : Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances des mécanismes de transport de l’énergie dans les matériaux à basses dimensionnalités tels que les nanofils, nanotubes, films minces, … Un axe expérimental en « champ proche » par microscopie thermique à balayage (SThM) sera développé. Il prévoit la mise en place d’une méthode microscopie thermique en régime sinusoïdal (SThM-3ω) et sous vide poussé afin de réaliser des expériences de métrologie fine des propriétés thermiques aux nano-échelles. A terme, l’objectif est de proposer des solutions expérimentales innovantes pour l’optimisation des propriétés de nanostructures à fort potentiel dans le domaine de l’énergie. DEVELOPPEMENT DU SUJET : Le SThM est une technique de microscopie « thermique » disposant d’une résolution spatiale d’une dizaine de nanomètres parfaitement adaptée à l’étude des objets de dimensions sub-micrométriques. Son principe est basé sur un dispositif AFM comprenant une sonde thermorésistive permettant de chauffer et de mesurer très localement la température. Néanmoins les interactions [pointeobjet] aux nano-échelles sont complexes et souvent à la limite des lois physiques macroscopiques. • Dans ce projet, la technique 3ω-SThM et son intégration dans une enceinte à vide poussé seront mis en place. Ces développements permettront d’étudier les phénomènes physiques aux nano-échelles et de déterminer les conditions expérimentales optimales pour la métrologie de propriétés thermiques de nanomatériaux. • Des mesures seront ensuite conduites sur des échantillons de référence (micro & nanométriques) tels que des nanofils de Si de différents diamètres, afin de valider le banc expérimental et la méthode de mesure. • Enfin, des études seront réalisées sur des nanofils de Bi2Te3 de type « core-shell » ainsi que sur des couches submicrométriques de Ge possédant des nano-inclusions de Mn. Ces matériaux présentent un fort potentiel thermoélectrique et font l’objet de recherches intensives pour les optimiser. Des mesures de conductivité thermique de ces matériaux permettront d’établir les paramètres physiques (géométrie, stoechiométrie, ...) les plus favorables à l’amélioration de leur efficacité thermoélectrique. COMPETENCES REQUISES : Le candidat recruté intégrera une équipe active du LEMTA dans le domaine des nanosciences et pourra s’appuyer sur un réseau solide de collaborations nationales et internationales. Le candidat(e) doit avoir développé(e) des compétences fortes dans les domaines des transferts thermiques et de la physique des solides au cours de son cursus universitaire. Des compétences préalablement acquises (stage de master 1 ou 2) dans le domaine de la microscopie AFM ou SThM et un goût prononcé pour la recherche expérimentale seront appréciées. SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : Modélisation des transferts de chaleur couplés dans les tissus biologiques : étude du mécanisme de dénaturation tissulaire ENCADREMENT Prénom, Nom : Olivier Farges et Fatmir Asllanaj Email et téléphone : [email protected] 03 83 59 56 77 - [email protected] 03 83 59 55 26 Lieu où sera réalisée la thèse : LEMTA - 2 avenue de la Forêt de Haye, Vandœuvre les Nancy CONTEXTE : La thématique scientifique « Rayonnement dans les tissus biologiques » développée au LEMTA, s’intéresse à la propagation du rayonnement issu d'un laser pour l'aide au diagnostic précoce et au traitement du cancer. Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de la filière stratégique « Santé, biotechnologie » de la Région Lorraine et la recherche sur le cancer. Des collaborations avec l’ILM (Ulm, Allemagne), le LAPLACE (Toulouse) et RAPSODEE (Albi) sont prévues. DÉVELOPPEMENT DU SUJET : La soumission de tissus biologiques à un éclairement plus ou moins intense associé à des temps de pulse de l'ordre de la milliseconde induit des effets photothermiques au sein de ces tissus. La conversion de la lumière en chaleur engendre une source primaire de chaleur au sein du milieu. Un transfert de chaleur au sein du milieu biologique aboutit alors à un volume chauffé plus volumineux. La connaissance de ce volume chauffé secondaire est déterminante pour l’étude de sa dénaturation tissulaire (réaction chimique de dégradation des tissus). L’effet de coagulation, souhaité dans le cadre du traitement de Images IR d'une souris lorsqu'une tumeur phénomènes tumoraux, se produit pour des températures comprises entre 50°C et 99°C. La compréhension des phénomènes associés à ce injectée de nanotubes est soumise à un laser processus de dénaturation est une des clés de la lutte contre le (l'échelle représente la température en surface) cancer. Cette thèse vise à étudier les phénomènes mis en jeu dans un tissu biologique lorsque l’on souhaite éliminer une tumeur par l’exposition au laser. Le développement d'un modèle fin des transferts de « biochaleur » rendant compte de la complexité des matrices biologiques permettra une meilleure compréhension du mécanisme de dénaturation tissulaire des tumeurs cancéreuses. COMPETENCES REQUISES : LE (OU LA) CANDIDAT(E) AURA UN GOÛT PRONONCÉ POUR LA MODÉLISATION ET LA SIMULATION NUMÉRIQUE. DES CONNAISSANCES EN TRANSFERTS THERMIQUES ET/OU DES NOTIONS SUR LES TISSUS BIOLOGIQUES SERONT APPRÉCIÉES. SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : COMPORTEMENT THERMO-HYDRO-MECANIQUE (THM) DES REMBLAIS DE STOCKAGE ENERGETIQUES ENCADREMENT Prénom, Nom : ROSIN-PAUMIER S., MASROURI F. Email et téléphone : [email protected] tél : 03.83.59.63.88 [email protected] tel : 03.83.59.63.04 Lieu où sera réalisée la thèse : ENSG-Bat E, rue du doyen Marcel Roubault, 54500 Vandoeuvre-lès-Nancy CONTEXTE : L’utilisation des énergies renouvelables se développe mais se heurte à un problème de stockage d’énergie entre les périodes propices à la production d’énergie et les périodes où les besoins énergétiques sont importants. L’une des solutions possibles est de stocker l’énergie excédentaire sous forme de chaleur latente, par exemple dans des sols compactés (remblais). Cependant, le sol est un assemblage complexe dont les propriétés hydriques et mécaniques évoluent sous l’effet des modifications cycliques de température. La problématique est de garantir la compatibilité entre la fonction d’échange thermique et la stabilité des ouvrages. DEVELOPPEMENT DU SUJET : Pour répondre à cette problématique, deux approches complémentaires seront menées. L’approche expérimentale permettra de quantifier l’effet de sollicitations thermiques cycliques sur les propriétés hydriques et mécaniques des matériaux (compressibilité, propriétés de rétention). Pour cela des essais œdométriques sous température contrôlée (Figure 1a) pourront être réalisés ainsi que des essais de wind et un nouvel essai sera développé afin d’appréhender les phénomènes couplés thermo-hydro-mécaniques (THM). L’approche numérique permettra de modéliser le comportement des massifs de stockage afin de quantifier leur durabilité thermique et mécanique (Figure 1b). Tout d’abord, les résultats des mesures expérimentales seront utilisés pour contraindre le modèle de Barcelone (BBM). Ensuite, ce modèle permettra de reproduire des essais expérimentaux puis de modéliser des massifs selon un schéma de complexité croissant : des calculs purement thermiques reproduiront le fonctionnement de l’échangeur; puis des calculs couplés thermo-hydriques prendront en compte les flux d’eau dans le massif et les interactions avec le milieu extérieur; et enfin des calculs couplés thermo-hydro-mécaniques prédiront l’effet de l’échange thermique sur la stabilité du massif de stockage. a) b) Figure 1 : a) Œdomètre à température contrôlée b) Exemple de modélisation d’un remblai de stockage énergétique. COMPETENCES REQUISES : Le candidat devra être titulaire d’un master recherche et/ou d’un diplôme d’ingénieur. Il devra posséder des connaissances solides dans le domaine de la géotechnique. Langue de travail : anglais et / ou français. SUJET DE THESE (Susceptible d’être financé par un contrat doctoral EMMA) ANNEE 2017 www.lemta.univ-lorraine.fr TITRE : Effets de la pente et du vent sur les feux de végétation - Etude à l’échelle du laboratoire. ENCADREMENT Prénom, Nom : Email et téléphone : Zoubir ACEM (MCF LEMTA) Anthony COLLIN (MCF LEMTA) [email protected] [email protected] 03 83 59 56 62 03 83 59 55 55 Lieu où sera réalisée la thèse : LEMTA – 2 Avenue de la forêt de Haye – 54505 Vandœuvre lès Nancy CONTEXTE L’Opération Scientifique Feux du LEMTA contribue à la recherche et à la lutte contre les feux de forêts. Elle dispose en particulier d’une plateforme expérimentale – PROMETHEI – qui permet d’étudier les mécanismes de propagation de feux de végétation, en conditions maîtrisées (indoor), à l’échelle du laboratoire. La thèse d’A. Marchand (20132016) a permis, d’une part, de mettre en place une métrologie par caméras visibles dédiée à l’étude de ces incendies et d’autre part, de simuler numériquement la dynamique d’un front de flammes à plat. DEVELOPPEMENT DU SUJET L’objectif de la thèse visera à améliorer notre compréhension des mécanismes de propagation et leur description lorsque les effets de pente et de vent sont présents. Le travail à réaliser sera scindé en deux parties. La partie expérimentale sera effectuée au sein de la plateforme PROMETHEI et permettra de réaliser des expériences de propagation sur table inclinée (pour les effets de pente) et en tunnel à feu (équipé de ventilateurs simulant l’effet du vent). Ces nouveaux essais viendront compléter la base de données du LEMTA sur les feux de végétation et permettront de quantifier les impacts respectifs de la convection et du rayonnement thermique dans la dynamique de propagation d’un front de flammes. Pour cela, la métrologie actuellement utilisée devra être Essais PIV sur feu de végétation adaptée à ces nouvelles configurations, et sera complétée par la mise en (PROMETHEI LEMTA) place d’un système vélocimétrie laser (P.I.V.) pour caractériser l’écoulement fluide autour et dans le front de flammes. Ces expérimentations viendront en appui de travaux de modélisation utilisant : (1) le propagateur « feux » du LEMTA qui simule l’avancement du front de flammes au cours du temps par une méthode dite de « petit monde », (2) le code libre accès FIREFOAM qui traite la combustion par code à champs. L’utilisation de FIREFOAM visera à décrire finement les champs locaux de vitesse et de température dans la zone de combustion afin de quantifier les rôles de la convection et du rayonnement sur le transfert de chaleur global. Sur ce point particulier, le doctorant collaborera avec l’équipe du Professeur A. Trouvé de l’Université du Maryland (USA), équipe réputée pour sa contribution au développement de FIREFOAM. Le (La) doctorant(e) viendra rejoindre au niveau local une équipe dynamique du LEMTA, auteur de plus de 25 publications en revue de rang A sur les 4 dernières années, impliquée dans des groupes de recherche et des collaborations nationales et internationales. COMPETENCES REQUISES : Idéalement, le / la candidat(e) aura suivi une formation en lien avec la mécanique des fluides et l’énergétique et disposera de solides aptitudes pour la métrologie thermique et la modélisation physique. Le travail proposé fait appel à des capacités d’initiative, d’analyse et de synthèse.
