Version française - lemta

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 : [e-mail], [e-mail]
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) (b) (c)
Mise en radeau dans les
superalliages à base
Nickel. (a) simulation par
champ de phases avec
elasto-viscoplasticité, (b)
observation MET , (c)
µ -
tomographie X 3D d’un
PEHD déformé
COMPETENCES REQUISES :
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 : [e-mail] ; 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 : mathieu.[email protected], [e-mail], tel : [phone]
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.