le progr bammelanc - CNRS - DGDR€¦ · de démonter la faisabilité d’un bioréacteur à membrane couplé à une unité de nanofiltration pour affinage de son perméat pour l’élimination

U S A Runité support de l’ANR

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Sciences pour l’ingénieur (CSD 2)

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Sciences pour l’ingénieur (CSD 2)Elimination d’une molécule anticancéreuse

toxique dans l’eau par couplage bioréacteur à membrane et nanofiltration

Claire Albasi

Microstructures Innovantespour Caractéristiques Améliorées

Brigitte Bacroix

Longueurs internes associées aux mécanismes de déformation inélastique dans les matériaux hétérogènes.

Optimisation de microstructuresMarcel Berveiller

Transports non linéaires de masse et de chaleurpar effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes :

applications à la réfrigérationPhilippe Blanc-Benon

le programmeblanc

2

Agents de contraste ultrasonore vecteurs de médicaments activables à distance

Lori Bridal

Simulation, Turbulence,Interface

Jean-Paul Caltagirone

Physique de l’extrusion des pâtes

Philippe Coussot

Polarisation Dynamique Nucléaire en champ élevé et Imagerie Médicale IRM/SRM

Yannick Crémillieux

Mélange réactif et nonréactif dans un réacteur partiellement mélangé

Luminita Danaila

L'électricité bactérienne : des mécanismes au démonstrateur

Marie-Line Delia

le programmeblanc

3

Modélisation des milieux granulaires en tant que milieux à microstructure

Jacques Desrues

Nouvelle Méthode Utilisable pour l'Optimisation des Procédés d'Absorption des Gaz Acides

par des Solutions d'AminesWalter Fürst

Etude des interactions ondes-particules pour les plasmas de Vlasov

Alain Ghizzo

Identification des mécanismes générateurs de bruit dans les écoulements turbulents libres

Daniel Juvé

Contrôle des sons naturels et synthétiques

Jean Kergomard

le programmeblanc

4

Modélisation mécanique multi-échelle de polymères nanostructurés

Olivier Lame

Interactions plasma écoulement réactif

Christophe Laux

Instabilités de tourbillons : applications aux sillages d’avions

Stéphane Le Dizès

integration hybride 3d des systemes de l'électronique de puissance

Thierry Lebey

Processus de transport et d’adhésion de particules en suspension

Grégory Lefèvre

Production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables

par voie photosynthétique et biomimétiqueJack Legrand

le programmeblanc

5

Systèmes innovants pour l'intensification des transferts par l'approche constructale

et l'optimisation multi-échelleLingai Luo

Interactions Dynamiques entre les phénomènes BIOlogiques et Physiques pour la maîtrise

des performances des BIOProcédésCarole Molina-Jouve

Intégration de puissance à très haute température

Hervé Morel

Allumage d'un mélange combustible par décharges nanosecondes sources de radicaux

Stéphane Pasquiers

Photomécanique : stratégies innovantes d’identification

de lois de comportements mécaniques de matériauxFabrice Pierron

le programmeblanc

6

Fissuration et rupture continue

Gilles Pijaudier-Cabot

Décharges à microcathode creuse pour production de micro-plasmas réactifs à haute pression

Leanne Pitchford

Fibres Optiques Composites Amplificatrices pour applications aux LASErs de très forte puissance

Philippe Roy

Méthodes multi-échelles pour l’analyse et la simulation numérique en turbulence fluide et plasma

Application à la fusion dans les plasmas avec confinement magnétique

Kai Schneider

Protection contre les incendies de forêts projet ANR 0264

Oliver Séro-Guillaume

le programmeblanc

7

Des Emulsions Microfluidiques aux Particules de Polymères Microstructurées

Christophe Serra

Conception robuste en dynamique des systèmes mécaniques complexes incertains

Christian Soize

Investigation par tomographie X in-situ de la solidification et de la formation

des défauts dans les alliages d’aluminiumMichel Suery

Contrôle des propriétés de films minces ou épais organosiliciés déposés et modifiés

par plasma pour un usage multifonctionnelPhilippe Supiot

Conditions Aux Limites Instationnaires pour les équations de Navier-Stokes

Christian Tenaud

le programmeblanc

8

Matériaux et Dispositifs Supraconducteurs pour l’Energie

Pascal Tixador

Revêtements multimétalliques complexes : Technologies d’élaboration avancées,tribologie et mouillabilité optimisées

Constantin Vahlas

Fragmentation-MélangeEmmanuel Villermaux

Dynamique de l’atomisation assistée

Stéphane Zaleski

le programmeblanc

Dans les effluents hospitaliers, dans les effluents de l’industriepharmaceutique, mais aussi dans les stations d’épuration et plus

généralement dans les eaux, diverses sources de pollutions toxiques ont pu êtreidentifiées. Les conséquences de la présence de ces molécules dansl’environnement vont de cancer à effet tératogène. Ces molécules dansl’environnement aquatique sous forme initiale ou métabolisée posent le doubleproblème de la quantification de leur toxicité et des voies possibles de leurélimination.

L’objectif de ce projet est d’évaluer la toxicité en sortie de services d’oncologie etde démonter la faisabilité d’un bioréacteur à membrane couplé à une unité denanofiltration pour affinage de son perméat pour l’élimination de cette toxicité.Le développement de ce procédé permet, par l’allongement possible du temps decontact entre le polluant et la biomasse épuratrice, l’élimination de contaminantsayant des caractéristiques particulières telles que leur résistance biologique ouchimique, ou leur faible concentration afin de préserver l’environnement de rejetsperturbateurs. La toxicité servira d’indicateur de qualité du traitement tandis queles performances de flux du réacteur seront suivies.

Résumé

Elimination d’une molécule anticancéreuse toxique dans l’eau par couplage bioréacteur

à membrane et nanofiltrationClaire Albasi

9

Acronyme TOXEAUBAMEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 480 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 18,6

Autres IT : Recrutés : 32

Discipline Sciences pour l’ingénieur

Mots clés • Effluent hospitaliers • Médicaments cytostatiques • Bioréacteurs à membranes • Nanofiltration • Évaluation du risque ecotoxicologique

Laboratoire de Génie Chimique - PARANTHOEN Sylvia, Pall Exekia, Tarbes (65) - HANSEL Sylvie, Université de Pharmacie Hopital Lapeyronie Montpellier (34) -CASTAGNERO Marcel, Conseil Distribution Service St Jean Chambre (07)

Pilotes BaM

le programmeblanc

10

Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Mise au point de tests de toxicité : il s’agit de choisir des tests fiables pour rendre compte de la présence et de l’effet de molécules à de très faibles concentrations. • Quantification chimique : les faibles concentrations, représentatives des effluents étudiés nécessitent l’emploi de protocoles de concentration et d’extraction qui

conduisent à une erreur considérable de cette analyse. La nature des molécules ciblées induit des protocoles différents, on ne peut pas mesurer toutes les moléculesdans la même procédure.

• Mise au point des conditions opératoires du Bioréacteur à membrane qui rendent compatibles les considérations énergétiques avec les performances biologiques et defiltration.

Résultats majeursA partir d’essais menées sur un effluent « semi synthétique », nous avons aujourd’hui démontré l’intérêt d’un bioréacteur à membrane pour traiter ce type d’effluent car laprésence de molécules cytostatiques induit des modifications de la biomasse engendrant des difficultés dans la séparation ultime eau traitée/ biomasse. Des conditionsénergétiques classiques, adoptées pour ces essais, sont compatibles avec une application rentable. La disparition partielle de la phase liquide de ces molécules est démontréesans que soit clairement élucidée la question d’adsorption ou de biodégradation. Du point de vue des tests de toxicité, nous sommes en mesure de proposer 2 tests basés sur des recherches d’adduit à l’ADN et la viabilité de cellules spécifiques. La toxicitésemble étroitement corrélée, « adsorbée » aux exopolymères.L’évaluation des quantités de médicaments rejetés à partir du site hospitalier impliqué ne fait que démontrer la nécessité de se préoccuper de ce type d’effluents et de leurimpact environnemental.

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ces• M. Castegnaro et S. Hansel, Les médicaments anticancéreux dans les effluents hospitaliers

et domestiques. Environnement, Risques & Santé. Volume 5, Numéro 4, 266-70, Juillet-Août 2006,.

• Faucet-Marquis V, Delgado L, Dauta A, Albasi C and Pfohl-Leszkowicz A, Development ofbiomarkers for following decontamination of water after treatment of hospital water wasteby membrane bioreactor process. Mutagenesis, 2008 (in press)

• L.F. Delgado, M. Audran, V. Faucet-Marquis, A. Pfohl-Leszkowicz, S.Schetrite, J. Guibaud ,M. Castegnaro and C. Albasi. Performance of a Crossflow Membrane Bioreactor for HospitalWastewater Treatment: Feasibility? Accepté dans Water Science and Technology

Invitées•Faucet-Marquis V., L Delgado, M DeMeo, A Dauta, C Albasi, A.

Pfohl-Leszkowicz. Validation of ecotoxicity tests to evaluate thegenotoxicity of hospital water waste. Pan AfricanEnvironmental Mutagen Society Conference (PAEMS 2008)Cape Town 2-5 nov. 2008

Colloques : 12

Production scientifique depuis le début du projet

L’objectif de ce projet est de développer une méthodologie de création,d’analyse et de modélisation de nouvelles microstructures, pour des métaux et

alliages variés, permettant d’un point de vue fondamental d’explorer plus à fondles liens entre transformation des matériaux et état microstructural. Ce projet comprend trois grandes étapes :(i) le développement d’un laminoir pilote, outil de création de microstructures,suffisamment souple pour être utilisable sur un grand nombre d’alliages etpermettre l’exploration de schémas thermomécaniques complexes (incluantnotamment le laminage asymétrique et l’exploration d’une vaste gamme de

températures de déformation) ; il sera ainsi possible d’activer, de façonsimultanée ou non, les principaux mécanismes de structuration qui sont lafragmentation de grains au cours de déformations sévères, la restauration, larecristallisation continue ou discontinue et la transformation de phases ;(ii) la modélisation de ces mécanismes élémentaires et le développement et lavalidation des modèles d’évolution microstructurale existant déjà dans noslaboratoires,(iii) le calcul d’un ensemble de propriétés mécaniques, électriques et magnétiquespermettant d’évaluer ainsi quantitativement l’effet de la microstructure créée.

Résumé

Microstructures Innovantes pour Caractéristiques Améliorées

Brigitte Bacroix

11

Acronyme MICAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 480 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 58

Autres IT : 7Recrutés : 45


Mots clés • Laminoir pilote• Laminage asymétrique• Transformations de phases• Recristallisation• Liens microstructures - propriétés

LPMTM, UPR CNRS 9011, Université Paris 13, CNRS - RAUCH Edgar, SIMAP, UMR CNRS 5266, INPG Grenoble - GOURGUES – LORENZON Anne – Françoise, CdM UMRCNRS 7633, Ecole des Mines, ARMINES - MONTHEILLET Frank, PECM UMR CNRS 5146, Ecole des Mines de Saint-Etienne, CNRS

Identification des anciens grains austénitiques après transformation de phase dans un acierbas carbone

le programmeblanc

12

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLa maîtrise en laboratoire du procédé de laminage (notamment asymétrique), et en particulier l’identification des conditions réelles de déformation (déformation plane +cisaillement homogène + frottement en surface) ; la détermination par calcul des conditions optimales ;La compréhension et la modélisation des mécanismes de recristallisation et de transformation de phases sur des métaux et alliages variés (aciers, alliages d’aluminium,cuivre), afin d’aboutir à des modèles prédictifs d’évolution de microstructures.

Résultats majeurs• Développement d’un laminoir prototype permettant le laminage asymétrique dans une très large gamme de rapports de vitesses ;• Développement d’un modèle analytique permettant d’arriver au plus vite à des conditions de laminage optimales ;• Développement d’un modèle micromécanique de sélection de variants, significativement amélioré par rapport à la version précédente, permettant de mieux comprendre

le mécanisme de sélection ;• Obtention d’un nombre important de données expérimentales concernant les microstructures issues de laminage asymétrique et de transformation de phases sur aciers,

alliages d’aluminium et de cuivre ; ces données sont pour la plupart assez sensibles et sont en cours d’analyse et de publication.

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ces• S. Wronski, K. Wierzbanowski, E. Rauch, F. Montheillet, B. Bacroix and M. Wróbel, «

Analysis of textures heterogeneity in asymmetrically cold rolled steel», soumis pourpublication.

• S. Wronski, B. Ghilianu, T. Chauveau et B. Bacroix, « Analysis of texture heterogeneity inasymmetrically cold rolled aluminium, soumis pour publication.

Invitées

Colloques : 4


Longueurs internes associées aux mécanismes de déformation inélastique dans les matériauxhétérogènes. Optimisation de microstructures

Marcel Berveiller

13

Caractérisation des lignes de glissement dans un grain de Nickel pur polycristallin se défor-mant en glissement simple et carte de désorientations intra-granulaires : Image optiqueavec contraste Nomarski après 1% de déformation plastique (gauche) Mesures EBSD loca-les et cartographie de désorientations intra-granualires par rapport au centre du grain :une couche à fort gradient de désorientation apparaît proche du joint de grains en rouge(droite)

le programmeblanc

Le progrès des outils de transition d’échelles et des modélisations multi-échelledu comportement thermomécanique des matériaux en général n’est possible

que si l’on prend efficacement en compte l’ (auto)organisation spatiale desmicrostructures et le caractère spatio-temporel discret de leur formation ainsi quele rôle des surfaces externes et internes (joints de grains, …) initialementprésentes. Ces progrès sont nécessaires dans les domaines du design et de la miseen forme des nouveaux matériaux et dans la conception des micro- et nano-systèmes. Pour ces derniers, on s’attend à des effets spécifiques car leur taille estproche des longueurs caractéristiques des mécanismes discrets : glissement(comme dans ce projet) mais également maclage, transformation martensitique.Le projet de recherche concerne tout d’abord la représentation des transitions

entre les mécanismes physiques spatio-temporels discrets (auto-organisation desdislocations) et leur modélisation de type continu intégrant plusieurs variablespertinentes décrivant les processus discrets. Des formulations à la fois de typedépendantes du temps ou indépendantes du temps seront adoptées pour décrireles comportements inélastiques en plasticité, à l’échelle des grains. On proposeensuite d’améliorer les méthodes de transition d’échelles actuelles (extension desméthodes actuelles et développement de nouvelles méthodes) en prenant encompte les effets de taille de grains, avec différentes dispersions, les relationsorientations cristallographiques/taille de grains, sur le comportement mécaniquedans un souci d’optimiser les microstructures des matériaux.

Résumé

Acronyme LIOMEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 230 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 120,6



Mots clés • Méthodes de Transitions d’échelle• Taille de Grains• Métaux• Dislocations• Textures cristallographiques

Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux, CNRS, Metz, FranceWagner Francis, Laboratoire d’Etudes des Textures et Applications aux Matériaux, CNRS, Metz, France

14

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursAnalyse des champs mécaniques et de l’énergie de microstructures discrètes de défauts et de dislocations contraintes par des joints de grains.Observation des longueurs caractéristiques principales des microstructures de déformation inélastiques.Approfondissement d’un modèle polycristallin relatant les effets de distribution de tailles de grains et exploitation des résultats.Mesures (EBSD) et représentations (statistiques et multimodale) des corrélations taille/orientation des grains dans différents polycristaux métalliques.

Résultats majeursDes effets de couche observables près des joints de grains sont finalement responsables des effets d'échelle (dépendant ici de la taille de grains) observés macroscopiquementsur le taux d’écrouissage. Cette notion de couche due à l’auto-organisation des dislocations intra granulaires a été retrouvée expérimentalement pour le Ni polycristallin pardes mesures EBSD. D’autres mesures EBSD de suivi de taille et d’orientations cristallographiques ont été menées en amont lors de la recristallisation et de la croissance desgrains pour différents recuits sur un acier IF-Ti. L’identification des mécanismes qui gouvernent ces stades permet de comprendre les effets de corrélations orientations/taille(évolution de texture et microstructure) sur le comportement mécanique à l’aide d’un modèle polycristallin.

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ces• S. Berbenni, M. Berveiller, T. Richeton. Intra-granular plastic slip heterogeneities : discrete

vs. mean field approaches. International Journal of Solids and Structures, Vol. 45, pp.4147-4172, 2008

• S. Berbenni, V. Favier, M. Berveiller. Micro-Macro modelling of the effects of grain sizedistribution on the plastic flow stress of heterogeneous materials. Computational MaterialsScience, Vol. 39, No.1, pp. 96-105, 2007.

• S. Berbenni, V. Favier, M. Berveiller. Impact of the grain size distribution on the yieldstress of heterogeneous materials. International Journal of Plasticity, Vol. 23, No.1, pp.114-142, 2007.

• N. Bozzolo, N. Dewobroto, H.R. Wenk and F. Wagner. Microstructure and microtexture ofhighly cold-rolled commercially-pure titanium. Journal of Materials Science., Vol. 42, n°7,pp. 2405-2416, 2007.

• N. Bozzolo, F. Gerspach, G. Sawina and F. Wagner. Accuracy of Orientation DistributionFunction determination based on EBSD – case of a recrystallized low alloyed Zr sheet,Journal of Microscopy, vol. 227, pp. 275-283, 2007.

• S. Guessasma, E. Suzon, T. Grosdider and F. Wagner. Static recrystallization in an ODSFeAl alloy : the effect of particles on texture and anisotropic grain growth developments”,Intermetallics, Vol.16, n°8, pp. 1013-1025, 2008.

Invitées•S. Berbenni, M. Berveiller. Modelling of periodic

dislocation microstructures constrained by sphericalgrain boundaries. International SymposiumComputational Mechanics of Polycrystals, Bad Honnef,Germany, February 25-26, 2008.

•F. Wagner. Annealing textures and anisotropy in lowcarbon steels”, Int. Conf. MATS-2008 (Microstructure And Texture in Steels), 5-7 Fév. 2008,Jamshedpur (Inde),

Colloques : 17


Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-

systèmes : applications à la réfrigérationPhilippe Blanc-Benon

15

Vue d'ensemble du dispositif de mesure par Anémométrie Laser Doppler du vent acousti-que généré par effets non linéaires dans un résonateur annulaire à ondes progressives. Lechamp acoustique est généré au moyen de deux haut-parleurs électrodynamiques judicieu-sement contrôlés en amplitude et en phase de façon à générer une onde purement pro-gressive dans l'ensemble du guide d'onde. Cette onde acoustique donne lieu (pour de fortsniveaux acoustiques) à la génération d'un écoulement redressé (vent acoustique) mesuréau moyen d'un système d'Anémométrie Laser Doppler et d'un traitement du signal adapté.

le programmeblancL’insuffisance de l’évacuation de la chaleur des circuits et capteurs industriels

est un verrou technologique qui bloque aujourd’hui la poursuite de laminiaturisation de ces systèmes. L’utilisation de machines thermoacoustiquesminiatures réalisées par procédés MEMS devrait permettre de faire sauter ceverrou. Mais il est essentiel d’entreprendre des études fondamentales, qui sont denature à aborder directement les problèmes posés par la miniaturisation et àexploiter les nouvelles possibilités que pourraient offrir les dimensionsmicroscopiques du cœur actif de ces microsystèmes. C’est l’objet des étudesmenées dans ce projet ANR, études qui portent plus particulièrement sur les

phénomènes non linéaires et les effets de bord qui se développent dans cesmachines, la miniaturisation des éléments constitutifs et les nouvellesarchitectures des systèmes, et l’instrumentation spécifique à la micro-thermo-acoustique. Elles s'appuient sur les compétences complémentaires deslaboratoires impliqués: méthodes de modélisation de la thermoacoustique non-linéaire, techniques expérimentales, techniques de réalisation de micro-composants, expertise des fluides proches de la criticité dont les propriétésphysiques seraient a priori favorables au transport thermoacoustique.

Résumé

Acronyme MicroThermAcEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 430 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR :

Autres IT : Recrutés :


Mots clés • Thermoacoustique• Acoustique non linéaire• MEMS• Fluides hypercompressibles• Micro-Capteurs

Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, LMFA UMR CNRS 5509 - Ecole centrale de Lyon -Pierrick LOTTON, Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine, LAUM, UMR CNRS 6613, - Didier LASSEUX, Laboratoire TREFLE - Site ENSAM - UMR8508 - TALENCE.

16

Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Explorer de nouvelles voies concernant chacun des éléments constitutifs d’une machine thermoacoustique : source acoustique, fluide de travail, “stack” et échangeurs.

Faire des choix d’architectures adaptées à la miniaturisation.• Reprendre à ces échelles les études sur les phénomènes non linéaires, les couplages acousto-thermiques et autres phénomènes complexes qui apparaissent. Le passage

par des systèmes et configurations modèles est indispensable pour la maîtrise des mécanismes de transferts.• Adapter et réaliser une instrumentation spécifique à la micro acoustique et la micro thermique.

Résultats majeurs• Réalisations de maquettes d'architectures non conventionnelles, d’un démonstrateur miniature de réfrigérateur, de composants thermoacoustiques micro-instrumentés.• Caractérisation d'écoulements redressés dans un prototype annulaire. Mesures de l’écoulement à l’interface stack-échangeur de chaleur à fort niveau acoustique. • Modélisation du transfert couplé de chaleur et de quantité de mouvement pour un fluide saturant un milieu poreux homogène. Expériences sur un micro-réseau gravé.• Outils de modélisation (théoriques, numériques) et expériences pour les transferts couplés quantité de mouvement/chaleur dans un fluide saturant un milieu poreux.

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ces• G. Penelet, V. Gusev, P. Lotton, M. Bruneau (2006), Nontrivial influence of acoustic

streaming on the efficiency of annular thermoacoustic prime-mover, Physics Letters A, 351,pp. 268-273.

• G.Poignand, B. Lihoreau, P. Lotton, E. Gaviot, M. Bruneau, V. Gusev (2007), Optimalacoustic fields in compact thermoacoustic refrigerators, Applied Acoustics, 68 (6), pp. 642-659

• Berson A., Blanc-Benon Ph. (2007), Nonperiodicity of the flow within the gap of athermoacoustic couple at high amplitudes, J. Acoust. Soc. Am., 122 (4), pp. EL122-127.DOI: 10.1121/1.2771370

• Berson A., Michard M., Blanc-Benon Ph. (2008), “Measurement of acoustic velocity in thestack of a thermoacoustic refrigerator using particle image velocimetry”, Heat and MassTransfer, 44 (8), 2008, pp. 1015-1023, DOI: 10.1007/s00231-007-0316-x.

• Le Van Suu T., Durand S., Bruneau M. (2008), "Fluid layer trapped between a plane,circular membrane and axisymmetrically curved, smooth backing wall: analytical model ofthe dynamic behaviour", Acustica-Acta-Acustica, 94:474-482, 2008.

• Lasseux, D., Ahmadi, A. and Abbasian Arani, A.A., (2008), Two-phase inertial flow inhomogeneous porous media: A theoretical derivation of a macroscopic model, Transport inPorous Media, 75, 371-400.

Invitées•Cherrier, R., Lasseux, D., Zappoli, B., (2006), Scaling laws

for thermoacoustic heat transport in supercritical fluidconfined in a porous media, 3rd International Conferenceon Application of Porous Media, Marrakesh, May 29 - June3rd, 2006.

•Blanc-Benon Ph., (2007) ”Characterization of nonlineareffects with the prospect of efficient miniaturethermoacoustics systems.”, Invited Paper to , InternationalCongress on Ultrasonics, Vienna, April 9 - 13, 2007,

•Penelet G. Lotton P., Gusev V., Bruneau M.,"Thermoacoustic engines : recent studies at the LAUM",Tohoku University, Japan, November 30, 2007

•Lotton P., Penelet G., Gaviot E., Durand S., Camberlein L.,Blanc-Benon Ph., Bruneau M., (2008) Recentdevelopments in miniaturization of thermoacoustic devices,Acoustics 08 Paris, June 29- July 4 2008

Colloques : 37


Nous réaliserons de nouveaux Agents de Contraste Ultrasonore, (ACU) plusstables capables d’encapsuler un principe actif dont la libération, au niveau

de l’organe ciblé, sera activée par une onde ultrasonore. Dans le cadre de ce projet nous proposons de • Réaliser des ACU stables dans le temps et pouvant enfermer un principe actif.• Caractériser leurs propriétés acoustico-mécaniques.• Induire la libération ciblée du principe actif à l’aide des ultrasons in vitro etchez la souris.

Outre la chimiothérapie cancéreuse locale, ces microparticules hybrides,remplissant la double fonction d'agent de contraste ultrasonore et d'agentthérapeutique, pourraient se révéler utiles pour d'autres applications cliniquescomme par exemple les traitements des thromboses vasculaires et les thérapiesanti-angiogéniques.

Résumé

Agents de contraste ultrasonore vecteurs de médicaments activables à distance

Lori Bridal

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Acronyme ACUVAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 360 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 86

Autres IT : Recrutés : 45Doctorants : 61


Mots clés • Ultrasons• Agents de contraste• Thérapie ciblée• Nanocapsules• Perfluorooctyl bromure

Laboratoire d’Imagerie Paramétrique UMR 7623 CNRS et Université Paris 6FATTAL Elias, Physico-chimie - Pharmacotechnie - Biopharmacie UMR 8612, CNRS et Université Paris XILUCIDARME, Olivier, Laboratoire d'imagerie fonctionnelle (LIF) U.678 INSERM / UMR-S Université Paris 6CHU Pitié-Salpêtrière

Nouvel agent de contraste ultrasonore pour vectorisation des médicaments. Haut :Microcapsules (MEB: gauche) et nanocapsules typiques (MET: droite, barre=100nm). Bas :Microcapsules de différents rapports E/R (gauche=0.54, centre=0.35, droite=0.25,barre=5µm) observées en microscopie confocale

le programmeblanc

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursNotre originalité vient de :- l'utilisation de polymères biocompatibles qui augmentent considérablement la stabilité des ACU. Pour cela nous utilisons une approche physico-chimique basée sur la

séparation de phases, plutôt qu'un enrobage difficile à mettre en œuvre. - Des relations entre l’échogénicité et la destruction acoustique des ACU et des paramètres physiques pertinents (compressibilité des capsules, l’épaisseur et la rigidité de leur

coque, fréquence et pression acoustiques) sont déterminées par mesures de référence. Cela permet de développer des techniques quantitatives pour la détection des ACU etle contrôle de leur destruction.

Résultats majeursDéveloppement d’un nouvel agent de contraste ultrasonore (ACU) basé sur l'encapsulation de perfluorocarbones liquides dans une coque polymérique de PLGA (polyacidelactique-co-glycolique)) biodégradable et biocompatible. Modélisation numérique du signal rétrodiffusé d'ACU pour différentes épaisseurs de capsule et différentes propriétésdu polymère. Evaluation des propriétés échogéniques des capsules in vitro à 50MHz. Imagerie des ACU à des fréquences ultrasonores de l’imagerie clinique in vitro et in vivochez la souris. Optimisation d’une stratégie de modification de la surface des ACU afin d’éviter leur reconnaissance par le système des phagocytes mononucléés et de pouvoircibler les ACU pour certains types cellulaires.

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ces• R. Díaz-López, N. Tsapis, D. Libong, P. Chaminade, C. Connan, M. M. Chehimi, R. Berti, N.

Taulier, W. Urbach, V. Nicolas, and E. Fattal Phospholipid-decoration of microcapsulescontaining perfluorooctyl bromide used as ultrasound contrast agents. Biomaterials, sous presse

• R. Díaz-López, D. Libong, N. Tsapis, E. Fattal and P. Chaminade. Quantification ofpegylated phospholipids decorating polymeric microcapsules of perfluorooctyl bromide byreverse phase HPLC with a Charged Aerosol Detector. Journal of Pharmaceutical andBiomedical Analysis, 2008, 48 702-707.

• E. Pisani, N. Tsapis, B. Galaz, M. Santin, R. Berti, N. Taulier, E. Kurtisovski, O. Lucidarme,M Ourevitch, B. Thuy Doan, J-C Beloeil, B. Gillet, W. Urbach, S.L. Bridal, E. FattalPerfluorooctyl bromide polymeric capsules as dual contrast agents for ultrasonography andmagnetic resonance imaging, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2963-2971.

• E. Pisani, E. Fattal, J. Paris, C. Ringard, V. Rosilio and N. Tsapis. Surfactant dependentmorphology of polymeric capsules of perfluorooctyl bromide: influence of polymeradsorption at the dichloromethane-water interface. Journal of Colloid and Interface Science,2008, 326 66–71.

• E. Pisani, N. Tsapis J. Paris, V. Nicolas, L. Cattel, E. Fattal, Polymetric nano/microcapsulesof liquid perfluorocarbons for ultrasonic imaging : Physical Characterization, Langmuir,2006 22 (9): 4397-402.

Invitées•Elias Fattal. Particle design for nucleic acids and

contrast agents Pharmaceutical Sciences WorldCongress. 3rd World Congress of the Board ofPharmaceutical Sciences of FIP "PSWC 2007",Amsterdam, The Netherlands

Colloques : 17


La motivation du projet « Simulation, Turbulence et Interfaces » est decaractériser et de comprendre les effets couplés de la turbulence et du caractère

diphasique des milieux étudiés par des expérimentations numériques. Au termedu projet, l’objectif est d’améliorer les modélisations déterministes existantes dela turbulence, issues des travaux menés sur les écoulements monophasiques, etde les compléter en prenant en compte les contributions spécifiques liées à laprésence et au déplacement des interfaces, pour aboutir à de nouveaux modèlesadaptés aux écoulements turbulents diphasiques, tels que ceux rencontrés dansdes domaines aussi divers que l’ébullition, l’injection dans les moteurs, la

propulsion des engins spatiaux, l’érosion littorale, la lubrification de piècestournantes, les échangeurs de chaleur ou les mélangeurs.Les travaux ont porté sur l’ensemble de la séquence permettant d’obtenir, via lasimulation numérique, une meilleure compréhension des écoulements turbulentsdiphasiques : développement de méthodes numériques pour le suivi d’interface etd’algorithmes performants pour la réalisation de simulations massivementparallèles, réalisation de Simulations Numériques Directes et analyse de leursrésultats, mise au point de nouveaux modèles dits de “sous-maille“ adaptés auxécoulements turbulents diphasiques.

Résumé

Simulation, Turbulence,Interface

Jean-Paul Caltagirone

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Acronyme STIEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 340 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 28



Mots clés • Simulation• Turbulence• Interface• Navier-Stokes• LES

TREFLE / ENSCPB / MFEN - Jacques MAGNAUDET, IMFT / CNRS/INPT/UPS - Pierre SAGAUT, LMM / UPMC - Frédéric DUCROS, CEA Grenoble / DEN

Bulle de Taylor 2D en capillaire

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLe verrou essentiel restant est l’amélioration des modélisations déterministes de la turbulence existantes, issues des travaux menés sur les écoulements monophasiques. Ils’agit de compléter ces modélisations en prenant en compte les contributions spécifiques liées à la présence et au déplacement ou à la rupture des interfaces et d’aboutir àde nouveaux modèles adaptés aux écoulements turbulents diphasiques.

Résultats majeursLa simulation de plusieurs configurations d’écoulements diphasiques a montré qu’il était impératif de modéliser des termes spécifiques dans les approches LES liés aux effetscapillaires et de transfert de masse à l’interface. Le bilan est satisfaisant si on se réfère aux publications communes acceptées dans des revues internationales et auxparticipations à des congrès internationaux à comité de lecture. Ces publications forment une bonne partie de la production internationale sur la turbulence en présence d’unesurface libre. L’intérêt de plusieurs partenaires industriels montre a posteriori le bien fondé de la mise en œuvre de cette action. Les nouvelles collaborations universitairesentamées depuis le début de l’ANR STI viennent conforter un peu plus le choix du sujet.

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ces• E. Labourasse, D. Lacanette, A. Toutant, P. Lubin, S. Vincent, O. Lebaigue, JP. Caltagirone

& P. Sagaut, 2007, Towards the use of LES for two-phase flows: governing equations anda priori test, Int. J. Multiphase Flow, vol. 33, pp. 1-39.

• S. Vincent, T.N. Randrianarivelo, G. Pianet and J.-P. Caltagirone, Local penalty methods forflow interacting with moving solids at high Reynolds numbers, Comput. Fluids, 36, pp902-913, 2007.

• E. Toutant, E. Labourasse, O. Lebaigue & O. Simonin, DNS of the interaction between adeformable buoyant bubble and a spatially decaying turbulence: a priori tests for LES two-phase flow modeling, Comput. Fluids, 37, pp 877-886, 2008.

• S. Vincent, J. Larocque, D. Lacanette, A. Toutant, P. Lubin, P. Sagaut, Numerical simulationof phase separation and a priori two-phase LES filtering, Computers and Fluids, vol. 37,pp. 898-906, 2008

• J. Larocque, N. Rivière, S. Vincent, D. Reungoat, J.-P. Fauré, J.-P. Héliot, J.-P. Caltagirone,M. Moreau, Macroscopic analysis of a turbulent round liquid jet impinging on an air/waterinterfacein a confined medium, under correction in Physics of Fluids, 2008

Invitées

Colloques : 17


Physique de l’extrusion des pâtes

Philippe Coussot

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Acronyme PhysedatEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 310 000 €Personnels (H-m)) C + EC + IR : 69



Mots clés • Extrusion• IRM• Fluides à seuil• Pâtes granulaires• Compression

Laboratoire des Matériaux et des Structures du Génie Civil (UMR113 LCPC-ENPC-CNRS), Laboratoire Central des Ponts et ChausséesLANOS Christophe, Laboratoire Génie Civil Génie Mécanique / EA 3913 / Equipe Matériaux et Thermique des Bâtiments, IUT Génie Civil

Vue (depuis le bas) de l’imageur par résonance magnétique utilisé (image de gauche) et vue(depuis le haut de l’imageur) de la partie émergeante du dispositif d’extrusion (image de droite).

le programmeblanc

Dans de nombreux domaines on forme des objets par extrusion, une opérationqui consiste à pousser à l’aide d’un piston ou d’une ou plusieurs vis un

matériau très « pâteux » à travers un petit orifice ou une filière censée donner uneforme particulière à la section de l’objet. Cependant la forme et l’aspect del’extrudat dépendent en fait de toute l’histoire des sollicitations que vit lematériau durant l’écoulement et toutes sortes de problèmes peuvent survenirdurant cette phase (zones mortes, migration rupture, etc). Pour les comprendre ilest nécessaire d’avoir des informations directes sur les évolutions descaractéristiques physiques (concentration, déplacement) locales au sein dumatériau. Dans le cadre de ce projet nous avons d’abord étudié différentsmatériaux à seuil susceptibles de constituer de bons fluides modèles pour la suite

du travail, notamment à travers la rhéométrie par IRM. Nous avons égalementréalisé différentes expériences originales d’extrusion à l’aide de pâtes« marquées » qui ont permis de déduire de nombreuses informations clésconcernant les effets décrits ci-dessus. Puis nous avons mis en place un dispositifd’extrusion des pâtes dans un Imageur Par Résonance Magnétique, grâce auquelnous pouvons mesurer les concentrations et déplacements locaux. Les premiersrésultats obtenus au cours de l’année 2008 sont spectaculaires puisque nousdisposons de champs de vitesse très détaillés dans différentes conditionsd’écoulement. Cependant la dernière phase d’expérimentations aura lieu en2009, ainsi que la comparaison systématique de ces résultats avec dessimulations numériques.

Résumé

22

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursUne des clés de ce projet était l’utilisation d’un extrudeur prototype au sein d’un imageur par résonance magnétique de façon à obtenir des informations internes directesconcernant la structure interne du matériau et ses évolutions en cours d’extrusion. Compte-tenu des conditions très particulières de cette installation (accès limité et difficileau sein de l’aimant, nécessité d’utiliser des matériaux amagnétiques) cette phase a demandé un important travail de conception, réalisation et montage, qui n’a pu aboutirque deux ans et demi après le début du projet, ce qui justifie la prolongation de six mois du projet, qui ne sera donc pas terminé en février 2009. Les dernières phases dutravail mentionnées ci-dessus seront réalisées au cours de l’année 2009.

Résultats majeursEtude locale du comportement de fluides à seuil modèles (gel et émulsion) et comparaison avec la rhéométrie macroscopique. Validation du comportement 3D d’un fluide à seuil par des tests en compression.Etude des déformations au sein des pâtes en cours d’extrusion par marquage interne.Mesure des champs de vitesse au sein de différents types de pâtes en cours d’extrusion pour différentes conditions expérimentales.

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ces• P. Coussot, L. Tocquer, C. Lanos, G. Ovarlez, Macroscopic vs local rheology of yield stress

fluids, à paraître dans Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2008) • T. Toplak, H. Tabuteau, J.R. de Bruyn, P. Coussot, Gravity draining of a yield stress fluid

through an orifice, Chemical Engineering Science, 62, 6908-6913 (2007)• P. Estelle, C. Lanos, Squeeze flow of Bingham fluids under slip with friction boundary

condition, Rheologica Acta, 46, 397-404 (2007)• A. Perrot, C. Lanos, Y. Melinge, P. Estelle, Mortar physical properties evolution in extrusion

flow, Rheologica Acta, 46, 1065-1073 (2007)• A. Perrot, C. Lanos, P. Estelle, Y. Melinge, Ram extrusion force for frictional plastic material:

model prediction and application to cement paste, Rheologica Acta 45, 457-467 (2006)

Invitées•Determination of the yield stress of pastes from

approximate or precise techniques, P. Coussot,Conférence plénière de la 14ème Australasianconference of Fluid Mechanics, Gold Coast, 2007

•Flow instability at the approach of the yield stress, P.Coussot, Viscosplastic fluids: from theory to applications,Monte Verita, Suisse, 2007

•Rhéométrie des pâtes et des milieux granulaires, P.Coussot, 41ème colloque du Groupe Français deRhéologie, Cherbourg, 2006

Colloques : 22


Ce projet de recherche a pour objectif la réalisation et la mise en œuvre d’unsystème de polarisation nucléaire utilisant la technique dite de polarisation

dynamique nucléaire (PDN) dédié à des applications biomédicales. Le système estconçu pour assurer la polarisation de populations de noyaux (carbone, azote…)situés sur des molécules d’intérêt biologique (pyruvate, fumarate, ionbicarbonate, etc). Les taux de polarisation élevés (plusieurs dizaines de pourcent)sont obtenus grâce à la PDN en champ magnétique élevé (plusieurs Teslas) et àtrès basse température (~ 1 K). La conception du système introduit des

innovations technologiques liées au large volume polarisable et la polarisation enparallèle de plusieurs échantillons. L’objectif scientifique à moyen terme porte surle développement de marqueurs et d’agents de contraste à très haute sensibilitéde détection pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la spectroscopiepar résonance magnétique (SMR) dans le domaine biomédical. Ces agents decontraste visent plus particulièrement la mise en évidence des dérèglementsmétaboliques à l’œuvre dans des pathologies telles que cancer, ischémies, etc.

Résumé

Polarisation Dynamique Nucléaire en champ élevé et Imagerie Médicale IRM/SRM

Yannick Crémillieux

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Acronyme POLARIMEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 210 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 19,2

Autres IT : 2,4Recrutés : 17


Mots clés • Polarisation dynamique nucléaire (PDN)• Imagerie par résonance magnétique (IRM)• Agents de contraste • Imagerie métabolique• Imagerie moléculaire

Creatis-LRMN, UMR 5220, U630Kryostat 4 K et aimant cryogénique 3,35 Tesla

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLe principal verrou réside dans l’intégration de nombreuses technologies (micro-ondes, RMN, cryogénie, vide) avec de fortes contraintes au niveau de l’encombrement spatial.Le diamètre utile de l’insert cryogénique est de 10 cm seulement et inclut le guide d’onde, les échantillons et un dispositif permettant de réchauffer rapidement (quelquessecondes) à la température ambiante les échantillons polarisés à très basse température (~ 1K). Ces verrous ont été levés grâce à la mise en place d’une collaboration avecl’Institut Néel (Pierre-Etienne Wolf, Gérard Vermeulen) de Grenoble.

Résultats majeursLe design et la conception de l’insert cryogénique, réalisés en collaboration avec l’Institut Néel et son bureau d’étude, ont été finalisés. Les composants sont actuellement encours d’assemblage dans l’atelier de l’Institut Néel.

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cesBrevets : 1 Invitées

•ESMRMB School, novembre 2008. MRI ofHyperpolarized nuclei.

•12ème congrès du Gramm, mars 2008. Imagerie desnoyaux hyperpolarisés.

Colloques : 3


Le mélange dans un réacteur partiellement agité (PaSR, e.g. Partially StirredReactor) est étudié, pour différentes configurations, géométries, nombres de

Reynolds (Re) et de Damköhler (Da). La métrologie laser est utilisée, afin defournir :a) La concentration d’un scalaire réactif : le NO, en utilisant la PLIF(PLIF :imageriede fluorescence induite par laser) sur NO. On simule ainsi la combustioninfiniment rapide par le quenching du signal de PLIF par l’Oxygène. b) La concentration d’un scalaire non-réactif (e.g., acétone) transporté de lamême façon que NO. Cette dernière quantité sert à déterminer la fraction demélange Z, scalaire passif. La fraction molaire d’acétone est mesurée en utilisant

la PLIF. En conclusion, ces mesures conduisent à la cartographie instantanée dumélange moléculaire et de la zone de réaction. c) Finalement, nous avons mesuré simultanément la fraction de mélange localeZ, la concentration du réactif NO et deux composantes du champ de vitesse, enutilisant la PIV. Le nombre de Damköhler varie entre Da = 0 (réactionsinfiniment lentes en mélange non-réactif), jusqu’à des valeurs grandes de Da (Da= ∞, réactions infiniment rapides, quenching).

Ces mesures conduisent à une base de données de référence, destinée à unemeilleure compréhension du micro-mélange réactif.

Résumé

Mélange réactif et nonréactif dans un réacteur partiellement mélangé

Luminita Danaila

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Acronyme MICROMELANGEEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 310 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 64,8



Mots clés • Réacteur de mélange à Jets opposés • Mélange turbulent • Réactions chimiques infiniment rapides • Techniques expérimentales : PIV, PLIF sur acétone, PLIF surNO • Techniques numériques : DNS, LES.

CORIA CNRS UMR 6614, Université de Rouen - Arnaud MURA : Laboratoire de Combustion et de Détonique LCD UPR 9028, CNRSSchéma du réacteur de mélange.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs1) Mise en place des mesures expérimentales. La réalisation de mesures simultanées de trois quantités (vitesse et deux scalaires) a nécessité l’utilisation simultanée de trois chaînesd’acquisition et la prise en compte de la non-uniformité des nappes laser (mesures de scalaire passif et du scalaire réactif infiniment rapide). 2) Mise en place des simulations numériques de l’écoulement (choix du modèle sous-maille, calcul de la dissipation, calcul des termes de corrélation vitesse-pression). 3) L’écoulement et le mélange associé constituent un puzzle d’écoulements classiques, et il n’est donc pas référencé dans la littérature. Ainsi, un certain nombre de propriétés ne sontpas standard, et ont nécessité une attention toute particulière (dans le même écoulement : interaction de paires de jets opposés, des jets jumeaux, jets à contre-courant).

Résultats majeursAprès avoir proposé plusieurs géométries de réacteur (à jets opposés simples, à jets opposés et recirculation, à jets cisaillés), le grand but est de caractériser l’écoulement et le mélange (non-réactif et réactif infiniment rapide) dans chaque géométrie, afin d’en sélectionner une « optimale » en terme de qualité de mélange (e.g. rapidité du mélange). Les résultats sont : 1) L’écoulement est un puzzle de plusieurs écoulements classiques. Nous avons identifié et caractérisé les propriétés qui sont simplement héritées de ces écoulements classiques et celles quisont nouvelles. 2) Les propriétés statistiques des petites échelles (taux moyen de dissipation de l’énergie cinétique de la turbulence) sont déterminées proprement. 3) Le mélange faussement réactif (quenching de NO avec O2) est correctement mesuré dans le réacteur. La prise en compte des non-uniformités des nappes laser conduit à des images detrès bonne qualité (excellent rapport signal/bruit). 4) Analyse théorique et numérique de l'influence des réactions chimiques avec ou sans expansion thermique sur les propriétés du mélange scalaire.

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ces• J.F. Krawczynski, B. Renou, L. Danaila et F.X. Demoulin, 2006, Small--scale measurements

in a Partially Stirred Reactor (PaSR), Experiments in Fluids, 40, 667.• A. Mura, V. Robin, M. Champion, (2007), Modelling of the scalar dissipation in partially

premixed turbulent flames, Combustion and Flame 149, pp. 217-224.• X. Adolphe, L. Danaila et S. Martémianov (2007), On the small-scale statistics of

turbulent mixing in electrochemical systems, Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol.600, pp. 119-130.

• J.F. Krawczynski, L. Danaila, B. Renou et P. Dimotakis (2007), Interaction entre desanneaux cohérents de vorticité et la turbulence, Mécanique et Industries, Vol. 8, pp. 93-99.

• A. Mura, K.Tsuboi, T. Hasegawa (2008), Modelling of the correlation between velocity andreactive scalar gradients in turbulent premixed flames based on DNS data, CombustionTheory and Modelling 12(4) 671-698.

Invitées•«Turbulent combustion modelling: representation of small

scales dissipative effects », Arnaud Mura, Invited Lectureat CFD Oil Conference 2006, August 15-17, Rio de Janeiro(Brasil).

•«Towards two-dimensional measurements of small scales(scalar and velocity): principles and limitations.Applications for laminar and turbulent flows». BrunoRenou, « Atomization in spray injection », F.X. Demoulin,Cargèse Summer School ‘Small-scale turbulence: Theory,phenomenology and applications’, 13-25 Août 2007.

•«The structure of the velocity and scalar fields in amultiple-opposed jets reactor», L. Danaila, Isaac NewtonInstitute Conference ‘Inertial-range dynamics and mixing’,28 Sept.-4 Oct. 2008, Cambridge, UK.

Colloques : 9


Les piles à combustible bactériennes permettent de produire de l’électricité parl’oxydation directe de composés organiques à l’anode. En 2002, la découverte

inattendue de micro-organismes capables de catalyser les processus d’oxydation àla surface même d’électrodes de graphite ouvre de nouvelles perspectives dedéveloppement industriel à court ou moyen terme. La présence de médiateurs ensolution, qui limitait les anciennes technologies, n’est plus nécessaire. Avec pour objectif de faire progresser le plus rapidement possible les pilesbactériennes vers un développement préindustriel, les trois partenaires ont proposéde développer la recherche sur les bio-piles en bio-ingénierie suivant deux volets

complémentaires : construire le socle indispensable de connaissancesfondamentales sur les interfaces « matériaux industriels / bactéries électro-actives »et les exploiter pour concevoir un pilote de démonstration optimal. Le projet est construit avec le souci constant d’acquérir les connaissancesinterdisciplinaires directement utiles à l’optimisation du pilote : les matériaux et lestraitements de surface sont de nature industrielle, les propriétés des interfaces(matériaux, traitements de surface) sont analysées en couplant systématiquement 3aspects : transfert d’électron, bio-adhésion, tenue à la corrosion, enfin les essais enculture modèle sont menés en parallèle avec les tests du prototype en milieu marin.

Résumé

L'électricité bactérienne : des mécanismes au démonstrateur

Marie-Line Delia

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Acronyme BactérioPileEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 410 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 20,5



Mots clés • Pile à combustible microbienne• Énergie• Biofilms• Geobacter sulfurreducens• Acier inoxydable

Laboratoire de Génie Chimique CNRS UMR 5503 Toulouse - FERON Damien : Service de la Corrosion et du Comportement des Matériaux dans leur Environnement (Département de Physico-chimie) ; CEA - DAMASSE Jean-Michel : Ugine & Alz Research Center ; UGINE & ALZ FRANCE

Modification par traitement laser d'un acier inoxydable 316L. Exemple d'une fusion de lasurface avec apparition d'un écoulement de matière (image MEB/CEA-Saclay)

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLe transfert électronique direct entre micro-organismes et électrode, sans métabolite intermédiaire, est un phénomène récemment mis en évidence. La compréhension desmécanismes est loin d'être élucidée et est encore à un stade très amont. Une identification de paramètres clés influençant l'échange d'électrons entre bactérie et matériauconstitue une étape indispensable pour le développement de nouvelles piles à combustible microbiennes.La faible efficacité du compartiment cathodique reste un verrou majeur pour la plupart des études figurant dans la bibliographie. L'amélioration de ce compartiment est notrepriorité et constitue notre originalité dans le contexte international.

Résultats majeursLe projet a conduit à un ensemble d'avancées fondamentales pour la compréhension du mécanisme de catalyse "électro-microbienne" à l'interface cathode/biofilm entravaillant sur les états de surface et le protocole d'ensemencement. L’acier inoxydable utilisé comme cathode permet d’atteindre des densités de courant 20 fois plus élevéesque celles de la bibliographie. Les performances sont étroitement corrélées à la nature et aux propriétés semi-conductrices de la couche d’oxydes. La colonisation resterelativement faible (<10 % de la surface disponible). La gestion de prototypes en mer a démontré la durabilité de la technologie sur plusieurs mois et a permis d’acquérir un savoir-faire technique qui sera précieux pour donnersuite à ces travaux.

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Colloques : 4


Le projet comporte deux volets parallèles, l’un expérimental et l’autrenumérique. L’un et l’autre abordent le comportement des milieux granulaires

sous l’angle double échelle, c'est-à-dire en tant que milieux à la fois continus etdiscrets. On s’intéresse à la déformation de tels milieux sous contrainte, jusqu’àla rupture avec localisation de la déformation. Du coté expérimental comme ducoté numérique, on propose une approche discrète, qui se couple à une approchecontinue à l’échelle de la structure. Des informations circulent entre les deuxéchelles.

Le projet comporte les éléments majeurs suivants :- construction d’un équipement de tomographie à Rayons X multi-échelle adaptéaux objectifs- développement d’outils de mesure de déformation 3D pour une analyse de ladéformation progressive aux échelles pertinentes- couplage double échelle éléments finis - éléments discrets

Résumé

Modélisation des milieux granulaires en tant que milieux à microstructure

Jacques Desrues

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Acronyme IMODEX (microModEx)Edition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 390 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 173



Mots clés • Milieux granulaires • Tomographieà Rayons X • Corrélation d’image numérique 3Dvolumique • Modélisation multi-échelle élémentsdiscrets / éléments finis • Localisation de la déformation

3S-R Grenoble, CNRS - COMBE Gaël, LIRIGM Grenoble, Université Joseph Fourier - BORNERT Michel, LMS Palaiseau, Ecole Polytechnique

Tomographe multi-échelle à Rayons X conçu et installé au Laboratoire 3S-R dans lecadre du contrat ANR ÌMODEX

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs- tomographie haute résolution : le pari était de caractériser TOUS les grains d’une éprouvette triaxiale de sable, sans pour autant réduire leur nombre en deçà des limites

de représentativité pour un milieu continu. Nous avons réussi avec des échantillons jusqu’à 65000 grains.- caractérisation de la déformation 3D+T par corrélation d’images numériques volumiques : à la fois en continu et en discret sur le même nombre de grains.- dérivation d’un opérateur tangent au sens des éléments finis (MEF) à partir d’une modélisation micro aux éléments discrets (MED) et intégration en éléments finis.

Résultats majeursSur le plan expérimental on a défini, fait réaliser et mis en oeuvre une installation de tomographie multi-échelle à Rayons X, qui permet d’analyser la déformation 3Dd’échantillons de sable soumis à des essais mécaniques réalisés sous faisceau sur des dispositifs de chargement développés ad hoc. Des outils d’analyse 3D par corrélationd’images numériques volumiques ont été développés, en particulier pour le cas discret. Les résultats sont les champs de déformation incrémentale continue, et discrète, aucours d’étapes successives dans un essai, avec jusqu’à 65000 grains suivis individuellement. Sur le plan numérique, le changement d’échelle repose sur la résolution d’unproblème MED à la petite échelle (les grains), avec passage des informations de contrainte mais aussi de tenseur de modules incrémentaux de l’échelle des grains (MED) àl’échelle continue (MEF). La loi de comportement est ainsi générée numériquement par MED.REMARQUE IMPORTANTE : à l’issue de ce projet, des outils expérimentaux de premier plan et des méthodes très innovantes sont opérationnels et disponibles pour uneutilisation qui ne fait que commencer. La productivité du projet doit être appréciée à cette aune.

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ces• Lenoir N., Bornert Michel, Desrues J., Bésuelle P., Viggiani G. (2007) 3D digital image

correlation applied to X-ray micro tomography images from triaxial compression tests onargillaceous rock, Strain vol.43 No 3, pp. 193-205

• Dascalu C., Bilbie G., Agiasofitou E. (2008) Damage and size effects in elastic solids: Ahomogenization approach, International Journal of Solids and Structures vol.45 No 2, pp.409 – 430

• Bilbie G., Dascalu C., Chambon R., Caillerie D. (2008) Micro-fracture instabilities ingranular solids, Acta Geotechnica vol.3 No 1, pp. 25-36

• J. Desrues, M. Bornert , S.A. Hall, Y. Pannier, N. Lenoir, G. Viggiani, P. Bésuelle (2009),Discrete and Continuum experimental study of localised deformation in Hostun sand undertriaxial compression using X-ray ÌCT and 3D digital image correlation, papier sélectionnésur abstract par le comité d’édition de la revue internationale Geotechnique pour unnuméro spécial “ Géotechnique Themed Issue: Soil Mechanics at the Grain Scale”

Invitées•X-Earth Center Kick-Off Symposium, Kumamoto (Japan)

17/11/2008, Session 4-1 Application of X-Ray CTmethod to Geo-materials, Prof. Jacques Desrues ,Laboratoire 3S-R, CNRS, France. Title: ConcurrentContinuous and Discrete experimental analysis of thedeformation of granular media using X-ray CT with 3DDIC

•IS-2008 Attlanta, Keynote lecture : Gioacchino Viggianiand Stephen A. Hall, Full-field measurements, a newtool for laboratory experimental geomechanics.

Colloques : 9


Le projet consistait à développer un nouvel équipement pour la mesure deséquilibres d’absorption de gaz acides, essentiellement CO2, par des solutions

d’amine. Le dispositif construit dans le cadre du projet permet de mesurer leséquilibres liquide-vapeur dans un large intervalle de températures et depressions. Ce type de mesure est assez courant mais la grande originalité de cetéquipement réside dans la possibilité de mesurer simultanément la concentrationde différentes espèces issues du processus d’absorption. Ces données despéciation sont obtenues in situ par spectrophotométrie IR, grâce à la mise enœuvre d’une cellule ATR incorporée au dispositif de mise à l’équilibre.

Un autre aspect important de l’étude est la mesure de l’effet de l’addition d’unsolvant physique sur les caractéristiques thermodynamiques de l’absorption, tantdu point de vue de la solubilité globale que de celui de la répartition du gaz acideentre les différentes espèces (forme moléculaire, bicarbonate et carbamate). Sur la base des données ainsi obtenues nous devions définir un modèle dereprésentation des équilibres réaliste, c’est à dire tenant compte de la compositionréelle de la phase liquide issue de l’absorption.

Résumé

Nouvelle Méthode Utilisable pour l'Optimisation des Procédés d'Absorption des Gaz Acides

par des Solutions d'AminesWalter Fürst

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Acronyme ThermoGAEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 100 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 41,6



Mots clés • Gaz acides• Spéciation• CO2• Thermodynamique• Absorption

Unité Chimie et Procédés, ENSTA Paris TechChargement en gaz de la cellule de mesure (photo ENSTA ParisTech/Cyrille Dupont)

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLa spectrophotométrie IR est bien adaptée à la mesure de la spéciation dans le cas des systèmes eau/gaz acide/amines. L’un des problèmes à résoudre est la conceptiond’un système permettant l’utilisation d’une cellule ATR pour une mesure in situ. Une fois ce problème réglé, les principales difficultés proviennent de la complexité des spectresIR obtenus : nombreux pics à déconvoluer, recouvrement entre certains pics et problème de sensibilité dans le cas de certaines des espèces à analyser. A ceci s’ajoutent lesproblèmes de calibration.Enfin, un problème inhérent à la modélisation de ces systèmes vient du manque de cohérence des données de la littérature concernant la solubilité des gaz acides dans lessolutions d’amines.

Résultats majeursL’étude a porté sur les systèmes eau - Diéthanolamine (DEA) - CO2 - solvant physique, le solvant physique étant du méthanol ou du PEG. L’un des résultats majeurs concernela mise au point d’un nouvel équipement qui a permis d’obtenir, pour ces mélanges, la mesure simultanée, à température, pression partielle de CO2 et composition dusolvant donnée, de la solubilité en gaz acide ainsi que des teneurs en CO2 moléculaire, en HCO3 et en carbamate. Ce travail a ainsi permis d’expliquer comment intervenaientles solvants physiques dans le domaine de taux de charge considéré (inférieur à 1). Les données ont été traitées avec une équation d’état d’électrolyte développée aulaboratoire. Ce travail de modélisation a montré que la prise en compte des données de spéciation était essentielle dans le cas des systèmes gaz acides – solutions d’amines.

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ces• Archane A., Gicquel L., Provost E. et Fürst, W. (2008) «Effect of Methanol Adition on the

System Water-CO2-Diethanolamine: Influence on Solubility and Liquid Phase Speciation.Chem.Eng.Res.Des, 68, 592-599.

Invitées

Colloques : 2


L’originalité de ce projet est qu’il conjugue les dernières techniques de pointedéveloppées en calcul scientifique (schémas à maillage adaptatifs, schémas

semi-lagrangiens, schémas WENO) pour résoudre l’équation de Vlasovdirectement dans l’espace des phases et des techniques de physique théoriquetelles l’utilisation d’invariants adiabatiques, des moments canoniques transversespour réduire le nombre de variables. Ce projet est donc basé sur une approchepluridisciplinaire tant mathématique que physique avec une ouvertureinternationale et/ou nationale importante. Les applications possibles concernentà la fois la communauté de la fusion inertielle et celle de la fusion magnétique.

Les gros codes de calcul, développés actuellement pour la fusion (code Particles-In-Cell ou Vlasov) requièrent des plates-formes de supercalculateurs car trèsgourmands en temps de calcul CPU et en taille mémoire. La conception et ledéveloppement de tels codes constituent un véritable challenge. Toutefois, du faitde la complexité des phénomènes mis en jeu, leur utilisation reste souvent difficilelorsque l’on monte en dimension. Nous avons ainsi développé des modèlesréduits avec des schémas numériques performants pour élaborer des outils desimulation numérique plus simples, permettant toutefois d’aborder des problèmesimportants quoique plus fondamentaux.

Résumé

Etude des interactions ondes-particules pour les plasmas de Vlasov

Alain Ghizzo

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Acronyme VLASOVEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 142 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR :


Discipline Sciences pour l’ingénieurMots clés • Modélisation et simulation

numérique • Physique des plasmas chauds• Interaction laser-plasma • Fusion magnétique ITER • Plasmas de Vlasov

LPMIA –Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés et Applications, Université Henri Poincaré UHP Nancy-1LABRUNIE Simon, IECN Institut Elie Cartan UHP Nancy-1

Tracé de la fonction de distribution dans l’espace des phases dans le cas de l’iinstabilitéSSKS (pour Stimulated Slab KEEN Scattering) générée lors de l’injection d’une impulsionultra relativiste dans un plasma sous dense.

le programmeblanc

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLa résolution du système Vlasov-Maxwell constitue un véritable défi pour le calcul scientifique en physique des plasmas. Jusqu’à présent, seules les méthodes particulaires permettaientd’aborder des problèmes à 2D voire 3D. La montée en puissance des ordinateurs parallèles rend désormais possible l’utilisation des codes Vlasov à 5D (code GYSELA par exemple).Toutefois la complexité, sur des grilles uniformes, reste importante. L’utilisation des techniques standards (par exemple celle de Cheng et Knorr), utilisées jusqu’à présent s’avèrent maladaptées à l’étude des systèmes relativistes ou gyrocinétiques du fait du couplage entre les différentes directions. Nous avons ainsi développé des techniques à maillage adaptatif pourétudier plus finement la dynamique des particules rapides le long de filaments ou encore des techniques semi-lagrangiennes qui permettent de tenir compte de ce type de couplage.

Résultats majeursUn modèle cinétique complet avec six dimensions d’espace des phases (3 variables d’espace et 3 variables de vitesses) reste pour l’instant inaccessible. L’utilisation detechniques de réduction de l’équation de Vlasov est donc fondamentale. Nous avons ainsi développé plusieurs codes basés, soit sur l’utilisation de l’invariance des momentscanoniques généralisés pour décrire l’interaction laser plasma, soit le formalisme hamiltonien avec des invariants adiabatiques en variables action-angle pour décrire l’étudedu transport anormal dans les machines de type tokamaks. Ceci nous a permis d’obtenir une description fine des interactions onde-particule et de la fonction de distributiondans une gamme importante de problèmes : régime cinétique de la diffusion Raman, formation d’ondes cinétiques d’électrons piégées (ondes KEEN pour Kinetic ElectrostaticElectron Nonlinear waves ; transparence auto-induite et instabilité SSKS pour Stimulated Slab KEEN Scattering, accélération par champ de sillage en fusion inertielle etinstabilité ITG ou des ions piégés ou modes TIM pour Trapped Ion Modes en fusion magnétique).

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ces• N. Besse, G. Latu, A. Ghizzo, E. Sonnendrücker, P. Bertrand, A wavelet-MRA-based adaptative

semi-lagrangian method for the relativistic Vlasov-Maxwell system, Journal of ComputationalPhysics, vol 227, Issue 16, 10 August 2008, pages 7889-7916.

• On the harmonic Boltzmannian in laser-plasma interaction, M. Bostan, S. Labrunie soumis à J.Phys. A : Math. 39 (2006), 11697- 11707.

• Plasma slab radiating pseudo-cavity mode in SRS-like behavior for frequency difference less thanthe plasma frequency : KEEN –type mode in relativistically hot plasma, A. Ghizzo, T.W. Johnston,T. Réveillé, P. Bertrand, Phys. Rev. E. 74, 046407 (2006).

• Saturation induced by vortex-merging in numerical Vlasov-Maxwell experiments of StimulatedRaman Back-scattering, M. Albrecht-Marc, A. Ghizzo, T.W. Johnston, T. Réveillé, D. Del Sarto, P.Bertrand, Physics of Plasmas 14, 072704 (2007)

• A drift-kinetic semi-lagrangian 4D code for ion turbulence, V. Grandgirard, M. Brunetti, P.Bertrand, N. Besse, X. Garbet, P. Ghendrih, G. Manfredi, Y. Sarazin, O. Sauter, E. Sonnendrucker,J. Vaclavik, L. Villard, J. of Comput. Physics 217, 395 (2006).

• Self-induced transparency scenario revisited via beat-wave heating induced by Doppler shift inoverdense plasma layer, A. Ghizzo, D. Del Sarto, T. Reveille, N. Besse, R. Klein, Physics of plasmas14, 062702 (2007)

Invitées•Study of nonlinear kinetic effects in Stimulated raman

scattering using semi-lagrangian Vlasov codes, A. Ghizzo, P.Bertrand, T.W. Johnston, M. Albrecht-Marc, T. Réveillé,conférence orale , Worshop on long time simulation of kineticplasmas of Sherwood theory conference, 21 April 2006, HyattRegency Hotel, Dallas , Texas.

•Vlasov models for the study of Stimulated Raman Scatteringand BeatWave Accelerator, A. Ghizzo, M. Albrecht-Marc, T.W.Johnston, P. Bertrand, T. Réveillé, N. Besse, 2nd InternationalVlasovia conference, 18-20 september 2006, Firenze, Italy(conférence invitée)

•A wavelet-MRA-based Adaptative semi-lagrangian method forthe relativistic Vlasov-Maxwell system, N. Besse, G. Latu, A.Ghizzo, E. Sonnendrücker, 2nd International Vlasoviaconference , Firenze, Italy ,18-20 Sept. 2006.

Colloques :


Le projet a pour but d’améliorer la compréhension des mécanismes physiquesqui sont à l’origine de la création de bruit par les écoulements turbulents libres.

Une approche à la fois numérique et expérimentale a été réalisée pour examinerle comportement de jets rapides, à température ambiante ou chauffés, simples oucoaxiaux, représentatifs des jets propulsifs des avions.L’approche numérique est fondée essentiellement sur la résolution instationnairedes équations de Navier-Stokes compressibles en Simulation des Grandes Echelles(LES). Cette méthode donne accès à une détermination simultanée des grandeursaérodynamiques et acoustiques, permettant l’évaluation de corrélations spatio-

temporelles. Sur le plan expérimental les mesures mettent particulièrementl’accent sur la pression en champ proche.Plusieurs techniques de localisation/identification de sources ont été testées etsont actuellement en voie d’application, conjointement sur des bases de donnéesnumériques et expérimentales : corrélations « de causalité » entre vitesse (ouvorticité) dans l’écoulement et pression acoustique, filtrage fréquence-nombred’onde pour séparer les composantes hydrodynamique et acoustique dans lechamp proche.

Résumé

Contrôle des sons naturels de bruit dans les écoulements turbulents libres

Daniel Juvé

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Acronyme BruitAéroEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 220 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 46



Mots clés • Acoustique• Turbulence• Aéroacoustique• Simulation numérique directe

Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR 5509, CNRS, Ecole centrale de Lyon, Université Lyon 1 - GERVAIS Yves, Laboratoire d’Etudes Aérodynamiques,UMR 6609, CNRS, Université de Poitiers, ENSMA

Rayonnement acoustique produit par une couche de mélange a) calcul direct b) champreconstruit après identification des termes sources prépondérants.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Le caractère fortement aléatoire et la répartition spatiale étendue des sources qui impliquent un niveau faible de corrélation entre grandeurs acoustiques et turbulentes.• La difficulté de « filtrer » les composantes acoustique et hydrodynamique dans le champ de pression proche.• L’établissement de bases de données numériques de très grand volume, à cause de la nécessité de stocker des informations volumiques avec une fréquence

d’échantillonnage élevée et sur un temps d’acquisition suffisant pour obtenir la convergence statistique des résultats.

Résultats majeurs• Mise en évidence d’une source de bruit prépondérante à la fin du cône à potentiel du jet pour le rayonnement aux faibles angles ; le mécanisme probable a été

identifié comme lié à l’intrusion intermittente de structures turbulentes à grande échelle dans le cône à potentiel.• Identification de zones sources spécifiques associées aux jets coaxiaux, dans les couches de mélange interne et externe.• Mise en évidence de l’influence du nombre de Reynolds sur la structure du champ acoustique rayonné, en termes de répartition spectrale et spatiale.• Développement de techniques de filtrage fréquence/nombre d’onde pour séparer contributions hydrodynamique et acoustique dans le champ proche de pression.

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ces• Bogey, C. & Bailly, C., 2007, An analysis of the correlations between the turbulent flow

and the sound pressure field of subsonic jets, J. Fluid Mech., 583, 71-97.• Bogey, C., Barré, S. & Bailly, C., 2008, Direct computation of the noise generated by

subsonic jets originating from a straight pipe nozzle, Int. J. of Aeroacoustics, 7(1), 1-22.• Cabana M., Fortuné V., Jordan P., 2008, Identifying the radiating core of Lighthill’s source

term, Comput. Fluid Dyn., 22(2), 87-106.• Prax C., Golanski F., Nadal L., 2008, Control of the vorticity mode in the linearized Euler

equations for hybrid aeroacoustic prediction, J. Comput. Physics, 227(12), 6044-6057.

Invitées•Bailly, C. & Bogey, C., 2006, Large Eddy Simulation for Jet

Noise Prediction, 10th CEAS Aeroacoustics Workshop, JetNoise Prediction Methodologies - Recent Developments, Sept.28-29, Dublin, Ireland.

•Bailly, C., Bogey, C. & Marsden, O., 2008, Advances incomputational aeroacoustics: challenges and issues, 7th Int.ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modellingand Measurements - ETMM7, 4-6 June, Limassol, Cyprus,612-621.

•Juvé, D., 2008, New trends in aeroacoustics: from acousticanalogy to computational aeroacoustics, (ConférencePleinière), Acoustics’08, Paris, 30 juin-4 juillet.

•Gervais, Y., Fortuné, V., Jordan, P., 2008, Quelquesdéveloppements récents pour l'analyse des mécanismessources en aéroacoustique, 43ème colloque d'AérodynamiqueAppliquée, ENSMA Futuroscope, 10 mars 2008.

Colloques : 17


CONSONNES rassemble des spécialistes français et étrangers pour faire avancerla connaissance et les dispositifs expérimentaux dans le domaine du contrôle

des sons produits par les instruments de musique acoustiques et leurs paradigmesnumériques. Les instruments à vent et à cordes frottées ont un fonctionnement paressence non linéaire (auto-oscillations), le musicien fournissant de l'énergieprincipalement à très basse fréquence. Bien maîtriser le jeu d’un instrument, etdonc son contrôle, nécessite un apprentissage long et difficile. La description, lamesure et la modélisation de leur fonctionnement et de son résultat sonoresoulèvent en effet des problèmes fondamentaux nécessitant l’association decompétences dans des domaines très divers.

Quatre actions ont été engagées : l’analyse et la réduction de modèles pour lacompréhension et la synthèse; les modèles temps réel (optimisation,discrétisation, contrôle automatique). Ces deux actions sont surtout théoriques, etvisent le problème inverse (trouver les paramètres de contrôle à partir du sonrayonné, problème d’une grande difficulté). Deux autres actions sont surtoutexpérimentales : mises au point de bouches artificielles asservies et robotsmusiciens, et mesures sur instrumentistes. Comme leur modélisation, la mesuredes transitoires reste encore aujourd’hui un problème largement ouvert.

Résumé

Contrôle des sons naturels et synthétiques

Jean Kergomard

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Acronyme CONSONNESEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 430 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 245



Mots clés • Acoustique• Traitement du Signal• Automatique• Robotique• Contrôle

Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique LMA (UPR 7051 CNRS), Marseille - CAUSSÉ René, Sciences et technologies de la musique et du son STMS (UMR 9912 CNRS, IRCAM), Paris - MATIGNON Denis, Laboratoire Traitement et Communication de l’information LTCI (UMR 5141 CNRS, TELECOM Paris).

Robot trompettiste

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• calcul des modes non linéaires d’un système auto-oscillant • calcul des tuyaux de section variable à courbure négative• asservissement en pression d’une bouche artificielle d’instruments à vent• fréquence de jeu instantanée d’un instrument à anche : calcul et mesure• mesure des paramètres de jeu d’un instrumentiste à vent• implication des spécialistes de la mesure du geste instrumental (Université Mc Gill), qui a grandement facilité une bonne synergie entre tous les partenaires• modélisation physique et contrôle des instruments à cordes frottées.

Résultats majeurs• calcul des modes non linéaires d’une clarinette, et validation numérique• observateur non linéaire d'un modèle d'instrument à vent simplifié• convergence des séries de Volterra (système différentiel multi-entrée à non-linéarité polynomiale)• existence et unicité, puis stabilité asymptotique, de la solution d'une équation des ondes avec dérivée fractionnaire en temps et coefficients variables en espace• calcul de solutions périodiques et leur continuation (Méthodes Asymptotiques Numériques)• mise au point d'un robot trompettiste (actionneurs en quasi-statique pour le moment)• acquisition directe et indirecte du geste instrumental.

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ces• Fabrice Silva, Jean Kergomard, Joël Gilbert, et Christophe Vergez. Interaction of reed and acoustic

resonator in clarinet-like systems. J. of the Acoustical Society of America, 124(5), 3284-3295,2008.

• P. de la Cuadra, B. Fabre, N. Montgermont, et C. Chafe. Analysis of flute control parameters : Acomparison between a novice and an experienced flautist. Acta Acustica united with Acustica, 94,740-749, 2008.

• Ph. Guillemain, « Some roles of the vocal tract in clarinet breath attacks : Natural sounds analysisand model-based synthesis », J. Acoust. Soc. Am, Vol. 121(4), 2007, pp. 2396-2406.

• Vincent Verfaille, Marcelo M. Wanderley, et Philippe Depalle. Mapping strategies for gesturalcontrol of adaptive digital audio effects. Jour. of New Music Research, 35(1) :71–93, 2006.

• N. H. Rasamimanana et F. Bevilacqua. Effort-based analysis of bowing movements : evidence ofanticipation effects. The Journal of New Music Research , 2008. à paraître.

• Hélie Thomas, Roze David, Sound synthesis of a nonlinear string using Volterra series. Journal ofSound and Vibration. Mars 2008, vol. 314, p. 275-306

Invitées•16th IEEE Mediterranean Conference on Control and

Automation (MED), Ajaccio, France, 2008.•Fractional Differentiation and its Applications. Ankara :

2008, vol. 3•Mathematical Theory of Networks and Systems

symposium, Kyoto, Japan, Aug. 2006, MTNS, 11 pages(CD-Rom).

Colloques : 22


Modélisation mécanique multi-échelle de polymères nanostructurés

Olivier Lame

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Acronyme NANOMECAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 409 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 115,2



Mots clés • Copolymère à blocs• Polymère semi-cristallins• Nanostructure• Modélisation mécanique

Matériaux Ingénierie et Sciences (MATEIS), EP UMR CNRS INSA de LYON - DEFFIEUX Alain, Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (LCPO) EP UMR CNRS-ENSCPB - SEGUELA Roland, Laboratoire de Structure et Propriétés de l’Etat Solide (LSPES) EP UMR CNRS - CHABERT Emmanuelle, Laboratoire de Mécanique des Solides(LMS),EP UMR CNRS Ecole polytechnique

Elaboration des triblocs

le programmeblanc

L’objectif de ce projet est la caractérisation et la modélisation des propriétésmécaniques de polymères nanostructurés. Dans cette étude nous nous

concentrerons principalement sur des matériaux présentant, à l’échellenanomètrique, une structure lamellaire (empilement de différentes phases), ausein de laquelle on aura fait varier la densité de molécules liens entre phases: lescopolymères à blocs et les polymères semi-cristallins en sont des parfaitsexemples. La modélisation micromécanique retenue est basée sur les techniquesd’homogénéisation. Une des difficultés réside dans la connaissance ducomportement de chaque phase d’un empilement et de leur couplage mécanique.La modélisation sera ensuite entreprise à l’échelle mésoscopique à l’échelle de lasphérolite dans le cas des polymères semi-cristallins, et à l’échelle des

microdomaines dans le cas des copolymères à blocs et à l’échelle macroscopique,les estimations issues d’une première étape d’homogénéisation étant injectéescomme paramètres d’entrées de la seconde étape.Parallèlement, plusieurs techniques expérimentales sont mises en œuvre pourmesurer les déformations locales à l’échelle des empilements. La comparaison desdifférents résultats doit permettre d’affiner progressivement chaque échelle demodélisation jusqu’à ce que l’ensemble des résultats soit cohérent et prédictif.Dans une première étape, la modélisation sera centrée sur des déformationssuffisamment faibles pour que la microstructure reste stable. Puis à plus longterme les plus grandes déformations seront explorées. On cherchera alors àcomprendre la genèse des microstructures étirées pour les semi cristallins ainsique l’évolution de la microstructure pour les copolymères à bloc.

Résumé

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursVerrous scientifiques : Le principal verrou du projet consistait à comprendre comment des microstructures multi-échelle complexes de polymères nanostructurés affectent lespropriétés mécaniques. Ceci en partant de microstructures relativement idéales sur des copolymères à blocs pour essayer de comprendre le comportement de microstructurescomplexes telles que celle des semi-cristallins. Concrètement, il s’agissait de comprendre l’influence des molécules liantes et l’influence de la structure de l’empilement deslamelles grâce à différentes simulations numériques. Enfin, une difficulté majeure consistait à prendre en compte ces éléments dans un modèle prédictif.Verrous technologiques : Tout d’abord l’élaboration des nanostructures n’était pas évidente : comment contrôler vraiment la densité de molécules liantes ? Comment ensuiteobtenir des microstructures idéales (parfaitement alignées) ? Enfin mesurer les propriétés mécaniques suffisamment finement pour pouvoir ensuite établir un lien avec lamicrostructure.

Résultats majeursLa copolymérisation de triblocs originaux PS-PI-PCHD avec des longueurs de blocs contrôlées a été réalisée avec une bonne incertitude sur la taille de chaque bloc permettantd’obtenir des structure lamellaires. La réalisation de la microstructure (orientée) et la caractérisation de cette dernière ont donné de bons résultats même si l’orientation s’estavérée toujours imparfaite. Par Dynamique moléculaire il a été possible d’évaluer l’effet des molécules liens entre chaque bloc sur les propriétés mécaniques. Ledéveloppement d’une méthode d’homogénéisation prenant en compte l’évolution de la microstructure jusqu’aux grandes déformations a quant à elle permis de simuler lesdifférentes réponses mécaniques des triblocs en fonction de l’orientation et également de prédire l’apparition de chevrons sous certaines conditions. Ces résultats ontégalement été validés sur des semi-cristallins dans certaines conditions.

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ces• O. Lopez-Pamies, and P. Ponte Castañeda (2008), Microstructure evolution in hyperelastic

laminates and implications for overall behavior and macroscopic stability, accepted forpublication in Journal of Mechanics and Physics of Solids.

• O. Lopez-Pamies, R. Garcia, E. Chabert, J. Y. Cavaillé and P. Ponte Castañeda (2008),Multiscale modeling of oriented thermoplastic elastomers with lamellar morphology,Journal of Mechanics and Physics of Solids, vol 56, n°28, p 3206-3223.

• M. Perez, O. Lame, F. Leonforte, J.L. Barrat, “Polymer chain generation for coarse-grainedmodels using radical-like polymerization” J Chem Phys

Invitées

Colloques : 8


Interactions plasma écoulement réactif

Christophe Laux

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Décharges couronne, diffuse et filamentaire produites par Décharge Nanoseconde RépétitiveImpulsionnelle dans l’air à 1000 K, 1 atm. De gauche à droite : V = 4, 5.5 et 6 kV.

le programmeblanc

Les plasmas produits par décharge électrique à pression atmosphérique suscitentdepuis quelques années un fort intérêt en raison de leur capacité unique à

augmenter la réactivité de milieux gazeux, pour des applications environnementales(traitement d’effluents gazeux), énergétiques (combustion assistée par plasma),aérodynamiques (contrôle d’écoulements) ou encore le traitement de surface(passivation, couches protectives…). Le défi principal est d’optimiser l’efficacité dudépôt d’énergie dans le gaz, le volume de décharge et le taux de production desespèces actives (ions, électrons, radicaux ou espèces excitées). Deux méthodes

prometteuses consistent à utiliser des Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) oudes Décharges Nanoseconde Répétitives Impulsionnelles (DNRI). Bien quedifférentes dans leur fonctionnement, ces décharges opèrent aussi bien en régimediffus que filamentaire, deux régimes complémentaires permettant d’obtenir desespèces actives avec ou sans chauffage du gaz. L’objectif du programme IPER est decomprendre les mécanismes physico-chimiques qui contrôlent les deux régimesdiffus et filamentaire dans ces décharges. L’approche s’appuie sur une combinaisond’expériences et de modélisation numérique.

Résumé

Acronyme IPEREdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 490 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 175



Mots clés • Décharges Nanosecondes • Répétitives Impulsionnelles • Décharges à Barrière Diélectrique • Décharges à pressionatmosphérique • Décharges filamentaires,Townsend, Diffuses • Streamers

Laboratoire d’Energétique Macroscopique et Moléculaire, Combustion (EM2C), CNRS UPR288, Ecole Centrale Paris - Pierre SÉGUR, Centre de Physique des Plasmas et deleurs Applications de Toulouse (CPAT), CNRS UMR 5002, Université Paul Sabatier, Toulouse - Françoise MASSINES, Laboratoire de Génie Electrique de Toulouse (LGET),CNRS UMR5003, Université Paul Sabatier, Toulouse - Jean PAILLOL, Laboratoire de Génie Electrique (LGE), EA 3001, Université de Pau et des Pays de l’Adour

42

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursAu niveau expérimental, la difficulté majeure est d’obtenir le régime diffus. En effet, à la pression atmosphérique, les décharges ont tendance à passer immédiatement enrégime filamentaire. Une deuxième difficulté provient des hautes résolutions, spatiale (submillimétrique) et temporelle (nanoseconde à la milliseconde), nécessaires pourétudier les phénomènes physico-chimiques par diagnostics optiques. Au niveau numérique, la difficulté provient à la fois du caractère multi-physique des phénomènes(photo-ionisation, cinétique chimique, propagation de fronts d’ionisation et couplage avec le circuit électrique) et des multiples échelles spatio-temporelles à considérer.

Résultats majeursLe mécanisme de la transition diffus-filamentaire dans les DNRI a été mis en évidence par diagnostics optiques avancés qui ont permis de démontrer la présence d’ondesd’ionisation avec ou sans passage au régime filamentaire. Cette transition est contrôlée par la distance inter-électrode et la tension appliquée, selon une relation non-intuitivequi fait intervenir les caractéristiques de la colonne gazeuse. En régime DBD, la transition a également pu être contrôlée par adjonction d’une couche résistive sur lesélectrodes. Enfin, un code général 2D a été développé qui permet de modéliser les phénomènes physico-chimiques clés des DBD et DNRI pour des configurations généralesde réacteur.

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ces• S.V. Pancheshnyi, D.A. Lacoste, A. Bourdon, and C.O. Laux, "Ignition of propane–air mixtures

by a repetitively pulsed nanosecond discharge," IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 34,pp. 2478-2487, 2006.

• D. Bessières, J. Paillol, A. Bourdon, P. Ségur and E. Marode, “A new one-dimensional movingmesh method applied to the simulation of streamer discharges,” Journal of Physics D: AppliedPhysics, vol. 40, pp. 6559-6570, 2007.

• A. Bourdon, V.P. Pasko, N.Y. Liu, S. Célestin, P. Ségur and E. Marode, “Efficient models forphotoionization produced by non-thermal gas discharges in air based on radiative transfer andHelmholtz equations,” Plasma Sources Science and Technology, Vol. 6, pp. 656-678, 2007.

• S. Pancheshnyi, P. Ségur, J. Capeillère and A. Bourdon, “Numerical simulation of filamentarydischarges with parallel adaptative mesh refinement technique,” Journal of ComputationalPhysics, vol 227, n°13, pp. 6574-6590, 2008.

• D. Pai, D.A. Lacoste, and C.O. Laux, “Images of Nanosecond Repetitively Pulsed Plasmas inPreheated Air at Atmospheric Pressure,” IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 36, No. 4,pp. 974-975, 2008.

• N. Naudé and F. Massines, "Influence of the Surface Conductivity on the stability of a GlowDielectric Barrier Discharge", IEEE transaction on Plasma Science, Vol. 36, N°4, 1322-1324,2008.

Brevets : N° FR 2094155, 25/01/08)

Invitées•C.O. Laux, G. Pilla, S. Pancheshnyi, D. Pai, L. Caillault, D.A.

Lacoste, A. Bourdon, and D. Veynante, "Plasma-assistedcombustion using nanosecond repetitively pulseddischarges", XXVIII International Conference on Phenomenain Ionized Gases, July 15-20 2007, Prague, Czech Republic.

•C.O. Laux, “Plasma-assisted flame ignition and stabilizationusing nanosecond repetitively pulsed discharges,” 60thGaseous Electronics Conference (GEC), Arlington, VA, 2-5October, 2007.

•A. Bourdon, P. Ségur (2007) Streamer simulation in air atatmospheric pressure, Workshop on Streamers, sprites,leaders, lightning: from micro- to macroscales, Leiden (TheNetherlands), 8-12 Oct 2007.

•J. Paillol, D. Bessières, A. Bourdon, “Atmospheric pressuredischarge”, 2nd central European Symposium on plasmachemistry (CESPC), August 31 - September 4, 2008, Brno,Czech Republic.

Colloques : 52


Le but de ce projet était d'acquérir de nouvelles connaissances sur la dynamiqueet les instabilités des tourbillons en vue de les appliquer aux sillages d'avions

(voir figure). Malgré les nombreuses études sur les tourbillons de sillagesd'avions, plusieurs questions centrales sur leur dynamique et leur décroissancerestaient sans réponse, empêchant toute avancée majeure sur le sujet,notamment, le rôle précis que jouent les instabilités des vortex dans la dynamiqueet la décroissance des tourbillons de sillage, leur sensitivité à des forçages ouperturbations extérieures, les effets des jets de moteurs sur les caractéristiques destourbillons de sillage. L’accent a été mis sur l’étude de configurations génériques

de vortex pour acquérir une compréhension physique qui manque auxconnaissances déjà existantes, souvent empiriques. Des développementsthéoriques importants sur des cas idéalisés simples et utilisant une approchecouplant méthodes asymptotiques et numériques ont été réalisés. Ils ont été testéset étendus à des configurations plus réalistes à l'aide de simulations numériquesdirectes et d'expériences ciblées. Plusieurs résultats fondamentaux sur ladynamique non-linéaire et les propriétés de stabilité de systèmes de tourbillonsseuls ou multiples ont aussi été obtenus, et leur impact sur la dynamique et ladécroissance des tourbillons de sillages d'avions a été analysé.

Résumé

Instabilités de tourbillons : applications aux sillages d’avions

Stéphane Le Dizès

43

Acronyme VORTEXEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 186 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 79,2



Mots clés • Mécanique des fluides• Dynamique des tourbillons• Transition vers la turbulence• Sillage d’avion• Instabilités

IRPHE, CNRS, Marseille - Fabre, David, IMFT, Université Paul Sabatier, ToulouseCroquis du système tourbillonnaire typique généré par un avion.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursL’explication du mécanisme de flottement des tourbillons, et la compréhension des effets d’un jet axial sur la dynamique des systèmes de tourbillons n’ont pas permis dedégager un moyen simple d’action en vue de réduire la dangerosité des tourbillons d’avion. Ce dernier point demeure donc le principal point dur.

Résultats majeursPlusieurs résultats fondamentaux concernant la dynamique et les instabilités d'un tourbillon ont été obtenus. Une description complète d'une nouvelle instabilité de typevisqueuse (c'est-à-dire nécessitant la viscosité pour être présente) a été faite. La réceptivité des tourbillons à un forçage stochastique a également été étudiée pour la premièrefois. Couplée à de nouvelles expériences avec un seul tourbillon, cette étude a permis d'identifier le mécanisme physique responsable du phénomène de flottement destourbillons. L’effet d’un écoulement axial sur les propriétés de stabilité et sur la dynamique non-linéaire d’une paire de tourbillon a été compris, et pour la première fois unnouveau mode d’instabilité associé à cet effet a été observé expérimentalement.

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ces• Abid M., Nonlinear mode selection in a model of trailing line vortices, J. Fluid Mech.,

605:19-45, 2008.• Fabre D. & Le Dizès S., Viscous and inviscid centre modes in the linear stability of vortices:

the vicinity of the neutral curves. J. Fluid Mech. 603, 1-38, 2008.• Fontane, J., Brancher P.& Fabre D., Stochastic forcing of the Lamb-Oseen vortex. J. Fluid

Mech. 613, 233-254, 2008.• Lacaze L., Ryan K. & Le Dizès S., Elliptic instability in a strained Batchelor vortex. J. Fluid

Mech. 577, 341-361, 2007.• Le Dizès S. & Fabre D., Large-Reynolds-number asymptotic analysis of viscous centre

modes in vortices. J. Fluid Mech. 585, 153-180, 2007.• Roy C., Schaeffer N., Le Dizès S. & Thompson M., Stability of a pair of co-rotating vortices

with axial flow. Phys. Fluids. 20, 094101, 2008.

Invitées•Schönfeld, T., Boussuge, J.-F., Le Dizès, S., Leweke, T.

Fundamental vortex phenomena: instabilities andinteractions with jets and wakes, 1st CEAS European Airand Space Conference, Session "Controlling andAttenuating Wakes and Wake Encounters", 10-13September 2007, Berlin, Allemagne

•Le Dizès S., Waves on vortices, EUROMECH Colloquium491, 11-14 September 2007, Exeter, UK

•Fabre D., Waves on vortices, International Workshop onFundamental Issues Related to Aircraft Wakes, 27-29mai 2008, Marseille, France

•Jacquin, L., Leweke, T., Fundamental Research onAircraft Wake Phenomena - EU Project FAR-Wake4th AIAA Flow Control Conference. Seattle (WA), USA.23-26 June 2008.

•Leweke, T., Vortex pairs, IUTAM Symposium "150 Yearsof Vortex Dynamics", Lyngby, Denmark, 12-16 October2008

Colloques : 24


Le projet se situe dans l'environnement scientifique et technologique desdispositifs et systèmes de l'Electronique de puissance. Depuis 20 ans, les

fonctions assurées et les domaines d'application pénétrés par ces dispositifs sesont considérablement multipliés. La philosophie de l'intégration de puissanceconsiste à remplacer l'essentiel des agencements macroscopiques utilisés jusqu'àce jour par un ensemble d'opérations réalisant simultanément l'élaboration duplus grand nombre de composants et l'assemblage proprement dit.L'idée maîtresse de notre projet est le montage d'une structure scientifique et

technologique, capable de supporter une approche allant de la définition et de lamise en œuvre des matériaux jusqu'à la réalisation de systèmes hybridescomplets, avec un axe transversal de développement de méthodologie et d'outilsde conception.La grande originalité de ce projet est qu'il est porté par un ensemble delaboratoires dont la volonté affirmée est la constitution d'une équipe nationaled'intégration de puissance, gardant ses racines dans ces laboratoires ets'appuyant sur un outil commun.

Résumé

integration hybride 3d des systemes de l'électronique de puissance

Thierry Lebey

45

Acronyme 3DPHIEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 500 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 149,6



Mots clés • Intégration hybride 3D• Matériaux et procédés• Nouvelles architectures de conversion• Substrats fonctionnels• Conception avancée

LAPLACE, Université Paul Sabatier, Toulouse - GUILLEMET Sophie, CIRIMAT, Université Paul Sabatier, Toulouse III - MOREL Hervé, Ampère, INSA de Lyon - MEYNARD Thierry, LEEI, CNRS Toulouse - FOREST François, LEM, Université des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier II - JOLY Jean-Louis, LESETH, UniversitéPaul Sabatier, Toulouse III LABOURE Eric, SATIE, CNRS île de France Est - SAUBION Christian, Centre d'Ingénierie et de Recherche des Technologies de l'Electronique Moderne

Exemple de structure multicellulaires parallèles

le programmeblanc

46

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLa plus grande difficulté rencontrée fut de faire travailler ensemble des chercheurs appartenant à des domaines scientifiques différents.Le second problème a consisté à réussir la transmission d'une avancée dans un des domaines pour qu'elle impacte du mieux possible les autres domaines concernés.

Résultats majeursArchitecture des structures de conversion de l'énergie électrique: des structures multicellulaires parallèles ont été proposées étudiées et validées via le développement deconcepts innovants pour les structures isolées et pour la réduction des pertes fer.Intégration des passifs : Matériaux fonctionnels : Des matériaux à base d'oxyde ont été synthétisés pour l'obtention de condensateurs conduisant à des valeurs de permittivitédites "colossales" (ε = >106) Intégration des actifs : Des technologies d'interconnexion originales à base soit de nanos soit de micro poteaux ont été proposées

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ces• "Optimization of the Supply Voltage System in Interleaved Converters Using Intercell

Transformers", F. Forest, T. Meynard, E. Labouré, V. Costan, A. Cunière, T. Martiré, IEEETransactions on Power Electronics, vol. 22, no. 3, pp. 934-942, May 2007

• "Analytic Design Method Based on Homothetic Shape of Magnetic Cores for High FrequencyTransformers", F. Forest, E. Labouré, T. Meynard, IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 22, no. 5, pp. 2070-2080, Sept. 2007

• "Multi-Cell Interleaved Flyback Using Intercell transformers", F. Forest, T. Meynard, E.Labouré, J-J. Huselstein, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 5, pp 1662-1671, Sept. 2007

• "A Theoretical Approach to InterCell Transformers, Application to Interleaved Converters", E.Labouré, A. Cunière, T. Meynard, F. Forest, E. Sarraute, IEEE Transactions on PowerElectronics, vol. 23, no. 1, pp. 464-474, Jan. 2008

• "Colossal permittivity in ultra fine grain size BaTiO3-x and Ba 0.95 La 0.05 TiO3-xmaterials", S. Guillemet-Fritsch, Z Valdez, C Tenailleau, T Lebey, B Durand and J -Y Chane-Ching, Advanced materials,Volume 20, Issue 3, Feb., 2008, Pages: 551-555

• “On the Role of the N-N+ junction doping profile of a PIN Diode on its turn-off transientbehavior”, B. Allard, H. Garrab, T. Ben Salah, H. Morel, K. Ammous, K. Berbes, IEEETrans. on Power Electronics, 2008, vol. 23, n°1, pp 491 – 494.

Brevets : 5dont PCT EP2007/05380 - PCT/FR2006/001099 - PCT/FR2006/001579

Invitées•"Colossal permittivity observed in CaCu3Ti4O12 ceramics

prepared from soft chemistry powders" S. Guillemet-Fritsch, T. Lebey, M. Boulos, L. Marchin, B.Durand, 1st International Symposium on Innovations inAdvanced Materials for Optics & Electronics (ISIAMOE I),La Rochelle, 14-17 Juin 2006

•"The Key Role of Dielectric and Insulating Materials inPower Electronics Integration", Th. Lebey, ECPE Seminar"Passive Components in Power Electronics", 22-23 nov2007, Nuremberg , Allemagne

•"Power Electronics Hybrid Integration", Th. LebeyInvited Lecture at the Kitakyushu Institute of Technology(KIT), December 17, 2007, Kitakyushu, Japan

Colloques : 22


Les interactions entre des particules en suspension dans un fluide en circulationet un substrat solide jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus

naturels et industriels. Ainsi, l’adhésion de particules est un des phénomènes debase de l’encrassement des circuits caloporteurs des réacteurs nucléaires à eaupressurisée. Dans le cadre de ce projet, les compétences en hydrodynamique et enchimie des interfaces de plusieurs équipes ont été réunies dans l’objectif d’aboutirau développement d’un modèle prédictif et d’un code de calcul de l’adhésion departicules en régime turbulent, validé à échelle réduite dans un montagespécialement construit. Une approche couplée hydrodynamique-chimie a été

développée, basée sur la théorie DLVO pour le calcul de la barrière d’énergies’opposant à la déposition des particules, et sur un modèle stochastiqueLagrangien incluant les structures cohérentes pour déterminer le déplacement etl’énergie des particules. Les données expérimentales nécessaires à la validationdu code ont été obtenues grâce à la mesure en temps réel de la concentration departicules en suspension, et le code lui-même est maintenant écrit. La prochaineétape est son utilisation pour simuler la déposition et la confrontation auxrésultats expérimentaux.

Résumé

Processus de transport et d’adhésion de particules en suspension

Grégory Lefèvre

47

Acronyme TRASPARTEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 140 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 54



Mots clés • Encrassement• Théorie DLVO• Modèle hydrodynamique• Hématite• Montage en circulation

Laboratoire d'électrochimie et de chimie analytique, UMR ENSCP/P6/CNRS 7575. - JAUBERTIE Anne, Département Mécanique des Fluides, Energie et Environnement, EDF R&D - CATALETTE Hubert, Département Matériaux et Mécaniques des Composants, EDF R&D

Montage en circulation. Légende des capteurs : (T) sonde de température, (pH) électrodecombinée de pH, (Tu) sonde de turbidité, (F) débitmètre.

le programmeblanc

• L. Cerovic, A. Jaubertie, M. Fédoroff, S. Milonjiç, G. Lefèvre, Deposition of hematiteparticles on polypropylene pipe walls in dynamic conditions, J. Colloid Interface Sci., souspresse

• G. Lefèvre, M. Fédoroff, Lj. Cerovic, Particles adhesion onto massive substrates:experimental measurement and deposition processes, Surface Engineering 24, 272-275(2008)

48

Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• La mesure expérimentale de l’adhésion de particules en régime turbulent a fait l’objet de peu de publications et un nouveau concept de montage à circulation a du

être développé. • Implémenter la notion de barrière d’énergie dans le code de mécanique des fluides a été difficile du fait des échelles spatiales différentes (barrière située à quelques

nanomètres de la surface, et maille hydrodynamique de plusieurs centaines de microns).

Résultats majeurs• Mise au point d’un montage en circulation, et détermination expérimentale de l’effet du pH, de la vitesse du fluide et de la concentration en particules. Dans le

domaine de pH attractif (particules et paroi de charges opposées), les résultats ont pu être modélisés par une approche hydrodynamique semi-empirique issue de lalittérature.

• Calcul de l’énergie cinétique et du flux de particules en proche paroi par une modélisation prenant en compte les structures cohérentes.

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•G. Lefèvre, Lj. Cerovic, M. Fédoroff, Surface reactivity ofmetal oxides: sorption and adhesion processes,YUCOMAT 2007, 9th Yugoslav Materials ResearchSociety Conference, Herceg-Novi (Monténégro), 10-14sept. 2007

Colloques : 8


Résumé

Production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables

par voie photosynthétique et biomimétiqueJack Legrand

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Acronyme PHOTOBIOH2Edition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 520 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 360



Mots clés • Biohydrogène• Biomimétisme• Microalgues• Photobioréacteur• PSII/Hydrogénase

GEPEA (Génie des Procédés – Environnement – Agroalimentaire) UMR-CNRS 6144, Université de Nantes - PELTIER Gilles, Laboratoire de Bioénergétique et Biotechnologiedes Bactéries et Microalgues – Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie - UMR CNRS CEA 6191, CEA de Cadarache.CORNET, Jean-François, Laboratoire de Génie Chimique et Biochimique, Université de Clermont-Ferrand. - DAUVILLEE, David, Laboratoire de Glycobiologie Structurale et fonctionnelle-UMR8576 CNRS, Université de Lille . - AUKAULOO, Ally, LCI (Laboratoire de Chimie Inorganique, UMR 8613), Université d’Orsay. - GLOAGUEN, Frédéric,Laboratoire de Chimie, Electrochimie Moléculaires et Chimie Analytique – UMR-CNRS 6521, Université de Brest. - BOTTIN, Hervé, DSV, iBiTec-S, SB2SM Laboratoire de photocatalyse et biohydrogène–URA-CNRS 2096, CEA de Saclay.

Electrocatalyseur de la réduction des protons en hydrogène inspiré du site actif des enzy-mes hydrogénases

le programmeblancCertains microorganismes photosynthétiques, comme les algues vertes

unicellulaires ou les cyanobactéries, sont capables de produire de l’hydrogèneà partir de l’énergie solaire en utilisant l’eau comme donneur d’électrons et deprotons. Les électrons mobilisés par l’appareil photosynthétique sont utilisés parune hydrogénase, enzyme capable de réduire les protons et produire del’hydrogène moléculaire. L’objectif du projet est de domestiquer les réactionsimpliquées dans la bioproduction d’hydrogène par les organismesphotosynthétiques en envisageant une triple approche: • approche in vivo : il s’agira d’identifier les étapes limitant la production par cesmicroorganismes et de lever ces limitations en jouant sur la flexibilité métabolique

des organismes et/ou sur leur modification génétique, puis de transposer lesconditions optimales à un système de production en photobioréacteur.• approche in vitro : il s’agira de mimer les systèmes biologiques naturels, enreconstituant par une chimie biomimétique des systèmes artificiels reproduisantl'activité du centre réactionnel du photosystème II et du site actif del’hydrogénase. • approche ex vivo : c’est une approche complémentaire aux deux précédentesqui permettra de mieux comprendre le fonctionnement de l’hydrogénase à partirde l'étude de systèmes isolés issus du vivant.

50

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursL’identification des verrous métaboliques de la production biologique d’hydrogène avec des microalgues est essentielle pour le développement de cette voie. Actuellement,le rendement maximal obtenu est de l’ordre 0,1-0,2%, l’objectif à atteindre est de 5-10%. La dynamique des réserves carbonées et la sensibilité de l’hydrogénase àl’oxygène sont deux des verrous étudiés dans ce programme.Pour l’aspect biomimétique, le problème d’oxydation de l’eau reste sans nul doute un objectif actuellement hors d’atteinte. Pour l’hydrogènase bioinspirée, les verrous sontd’une part la diminution de la surtension de dégagement d’hydrogène et, d’autre part le greffage du catalyseur organométallique sur une électrode afin de faciliter sa miseen œuvre dans un système d’électrolyse de l’eau.

Résultats majeurs• Nous avons montré chez Chlamydomonas que si l’amidon était essentiel pour la composante de la production d’hydrogène indépendante du photosystème II, il ne semble joueraucun rôle dans le processus de production d’hydrogène dépendant du PSII. • Le protocole de référence pour la production d’hydrogène, consistant en une culture sur milieu déprivé en soufre et contenant de l’acétate a été modélisé. • L’hydrogénase d’algue a été sur-exprimée dans une bactérie en anaérobiose. • Nous avons réussi à développer une nouvelle famille de complexe à base de Ruthénium(II) polypyridine capable de capter et convertir l’énergie lumineuse en un potentielchimique.• Nous avons été capables de synthétiser de nouveaux complexes difer pour lesquels la surtension d’activation des protons dans des solvants organiques est de l’ordre de 0.5 V.

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ces• D. Dauvillée, V. Chochois, M. Steup, S. Haebel, N. Eckermann, G. Ritte, J-P. Ral, C. Colleoni, G.

Hicks, F. Wattebled, P. Deschamps, C. d’Hulst, L. Liénard, L. Cournac, J-L. Putaux, D. Dupeyre, S.Ball. Plant Journal, 2006, 48: 274-285.

• F. Gloaguen, J.-F. Capon, P. Schollhammer, J. Talarmin. J. Electroanal. Chem. 2007, 603, 15-20.• S. Ezzaher, J.F. Capon, F. Gloaguen, F.Y. Petillon, P. Schollhammer, J. Talarmin, Inorg. Chem.,

2007, 46, 3426.• S. Fouchard, J. Pruvost, J. Legrand, International Journal of Hydrogen Energy, 33, 3302-3310

(2008).• A. Hemschemeier, S. Fouchard, L. Cournac, G. Peltier, T. Happe (2008) Planta 227, 397-407• K. Sybirna, T. Antoine, P. Lindberg, V. Fourmond, M. Rousset, V. Méjean, H. Bottin, BMC

Biotechnology 2008, 8:73

Invitées•EMBO workshop Cellular and Molecular Biology of

Chlamydomonas, Giens, 28 Mai – 1er Juin 2008.•Symposium "Biorefineries & Biotechnolgies"* du 2e

Congrès EuCheMS de Chimie (European Association forChemical and Molecular Sciences), Turin (Italie), 16-20Septembre 2008

•International Photosynthesis Congress, Glasgow 22-27Juillet 2007.

•4th France-China workshop on surface electrochemistry ofmolecule of biological interest and biosensor application,Perpignan, 18-20 octobre 2006

•American Society of Photobiology, Puerto-Rico, 8-13 Juillet2006.

Colloques : 18


L’approche constructale, proposée par A. Bejan, est une notion émergente quise développe rapidement au niveau international et dans un cadre

pluridisciplinaire. Il s’agit d’une méthode d’optimisation de la conception d'objetset de "composants" qui permet de trouver la forme d’un système multi-échelleafin d’offrir un rendement optimal. Les équipes qui se réunissent autour de ceprojet ont participé, depuis quelques années, au développement de cetteapproche, en particulier en la concrétisant par la fabrication de quelques uns des« premiers objets constructals » et en les testant expérimentalement.L'objectif du projet proposé est l’intensification et l'amélioration des performancesdes échangeurs thermiques et des réacteurs multitubulaires par la maîtrise de la

distribution des fluides en entrée et en sortie, et par la miniaturisationgéométrique. Plus précisément, on étudiera l’intégration :- de distributeurs et collecteurs fractals dans un mini-échangeur de chaleur,- d'un mélangeur constructal dans un micro-réacteur.Ces deux aspects sont axés sur la conception, la technologie de fabrication,l'expérimentation, mais avec une analyse théorique par l’approche constructale etla simulation en vue d’une optimisation. L’idée directrice est de se servir deconfigurations classiques et bien connues d'échangeurs et de réacteursmultitubulaires pour évaluer les impacts de la distribution des fluides sur leursperformances.

Résumé

Systèmes innovants pour l'intensification des transferts par l'approche constructale

et l'optimisation multi-échelleLingai Luo

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Acronyme ConstructaleEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 323 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 25,2



Mots clés • Approche constructale• Intensification des transferts• Systèmes innovants énergétiques• Echangeurs-distributeurs-réacteurs• Stéréolithographie laser

Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement EA 3704, Université de Savoie, LOCIE - Serge CORBEL, Département de Chimie Physique desRéactions UMR 7630 CNRS-INPL, DCPR - Laurent FALK, Laboratoire des Sciences du Génie Chimique UPR 6811 CNRS, LSGC

Echangeur cubique à courants croisés et distributeur arborescent

le programmeblanc

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLes difficultés rencontrées sont d’ordre scientifique et technique et sont essentiellement liées à la géométrie interne particulièrement complexe qui crée des difficultés à la foissur le plan conceptuel et de simulation mais également sur le plan expérimental. Les imperfections et les irrégularités inhérentes à la fabrication des objets peuvent produire des différences entre les canaux, causant la mauvaise distribution d'écoulementde passage-à-passage. D’ailleurs, des pièces métalliques sont difficiles à réaliser en laboratoire.

Résultats majeurs• Composants fluidiques multi-échelle : échangeurs, distributeur, mélangeur et réacteur, conçus par l’approche constructale réalisés, testés, optimisés ;• Méthodologie d’intensification des transferts dans les échangeurs de chaleur ou les réacteurs par amélioration de distribution des fluides ;• Méthode de simulation CFD et d'analyse analytique et thermodynamique en vue de l’optimisation de la conception ; • Développement des algorithmes de type automate cellulaire pour optimiser la configuration de "drain thermique" .

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ces• L. LUO*, Y. FAN, W. ZHANG, X. YUAN, N. MIDOUX, Integration of constructal distributors to

a mini crossflow heat exchanger and their assembly configuration optimization, ChemicalEngineering Science, vol. 62, n. 13, pp. 3605– 3619, 2007.

• L. LUO*, Y. FAN, D. TONDEUR, Heat exchanger: from micro to multi-scale designoptimization, International Journal of Energy Research, vol. 31, n. 13, pp. 1266-1274,2007.

• J. YUE, L. LUO*, Y. GONTHIER, G. CHEN, Q. YUAN, An experimental investigation ofgas–liquid two-phase flow in single microchannel contactors, Chemical EngineeringScience, vol. 63, n. 16, pp. 4189-4202, 2007.

• Y. FAN, R. BOICHOT, T. GOLDIN, L. LUO*, Flow distribution property of the constructaldistributor and heat transfer intensification in a mini heat exchanger, the AIChE Journal,vol. 54, n. 11, pp. 2796– 2808, 2008.

• M. SABER, J.M. COMMENGE*, L. FALK. Rapid design of multi-scale channel networks withminimum flow maldistribution. Chemical Engineering and Processing: ProcessIntensification, 2008, in press.

• R. BOICHOT, L. LUO, Y. FAN. Tree-network structure generation for heat conduction bycellular automaton, Energy Conversion & Management, vol. 50, n. 2, pp. 376-386, 2009.

Brevets : 2

Invitées•L.LUO Constructal approach and multi-scale components. 1st

International Workshop on Constructal Theory andApplication, Shanghai Jiaotong University, 16-17 October2006, Shanghai P. R. China

•L.LUO Impact of flow distribution on performance of heatexchangers Heat and mass transfer in micro-channels(HMTMIC) workshop, 5-6 October 2006, Grenoble, France

•L.LUO Constructal approach and its applications in processengineering The research collaboration group conference onmulti-scale methodology and complex systems, ChinaAcademy of Science, 6-8 August 2006, Beijing, China

•L. LUO Flow Equidistribution and performance of a MiniCrossflow Heat Exchanger, The Second InternationalSymposium on Thermo-Fluid Science and EngineeringDedicated to Prof. Adrian Bejan on the occasion of hisDoctorate Honoris Causa 18-19 July, 2006, TechnicalUniversity of Varna, Bulgaria

Colloques : 10


Résumé

Interactions Dynamiques entre les phénomènes BIOlogiques et Physiques pour la maîtrise

des performances des BIOProcédésCarole Molina-Jouve

53

Acronyme IdyBioPbioPEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 420 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 81,36



Mots clés • Bioprocédé • Microbiologie• Ecoulement• Hétérogénéité• Modélisation

Laboratoire de Biotechnologies et Bioprocédés*, LBB INSA CNRS 5504 INRA 792 / ALFENORE Sandrine, BIDEAUX Carine, FILLAUDEAU L., GORRET Nathalie, - Laboratoired’Analyse et d’Architecture des Systèmes, LAAS LP 8001 / ROUX Gilles - Laboratoire d’Ingénierie des Procédés et Environnement*, LIPE EA 833 / MORCHAIN Jérome* ces deux laboratoires ont fusionné sous le nom : Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés, LISBP INSA CNRS 5504 INRA 792

Mini bioréacteur. Pilote dédié à l’étude de l’impact des stress environnementaux sur laréponse microbienne de l’ordre de la seconde aux échelles macroscopiques, microscopiqueset moléculaires.

le programmeblanc

Notre projet vise la maîtrise des performances de bioprocédés par laconnaissance des relations entre les dynamiques de l’expression du potentiel

du microorganisme et les dynamiques des phénomènes physiques. Lorsque lemélange induit des hétérogénéités microscopiques et/ou macroscopiques deconcentration, le métabolisme microbien est localement orienté de manièreréversible ou irréversible. Deux enjeux majeurs sont relevés : 1. la maîtrise des performances des bioprocédés lors d’extrapolation industrielle :dans les bioréacteurs de très grandes dimensions, nous cherchons à éluciderl’impact des hétérogénéités de mélange sur les performances du bioréacteurindustriel comparées à celles du pilote de laboratoire2. la maîtrise du recyclage cellulaire pour le maintien de l’activité cellulaire etl’intensification des performances des bioprocédés multi-étagés : le maintien de

l’activité microbienne est recherchée par le recyclage partiel des cellules entredeux étages. La pertinence de cette stratégie dépend de la dynamique de laréponse biologique à une variation environnementale macroscopique.L’approche consiste en :- la caractérisation expérimentale du mélange dans les bioréacteurs configuréspour l’analyse de la réponse microbienne ;-la caractérisation de cette réponse en fonction de la nature, l’intensité et le tempsd’action d’une perturbation ;- la modélisation de la réponse microbienne et des écoulements ;- pour, à terme, l’intégration des deux modèles et la validation sur pilotes delaboratoire dédiés à ces travaux en fonction des deux domaines d’applicationvisés.

54

Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs1. Projet interdisciplinaire : génie des procédés, mécanique des fluides, microbiologie2. Développement de nouveaux outils d’investigation avec des technologies innovantes3. Quantification des dynamiques des phénomènes physiques et biologiques à des échelles de temps et d’espaces très faibles, encore peu investigués à ce jour.

Résultats majeurs1) Développement d'outils originaux et pertinents pour l'étude dynamique de la réponse microbienne à des perturbations contrôlées de l'environnement sur des échelles detemps de l'ordre de quelques secondes à une heure3) Des avancées dans l’Analyse Systémique Quantifiée de la réponse microbienne E. coli à des perturbations caractérisées de l'environnement (stress oxydatif)4) La maîtrise de gestion de la viabilité cellulaire de S. cerevisiae pour la production intensive d’éthanol : Détermination des temps caractéristiques macroscopiques de reprisede l’activité cellulaire de la levure S. cerevisiae et du mode de réponse macrocinétique lors d’un changement d’environnement éthanol et modélisations phénoménologiquesdes phénomènes.5) Mesure locale du taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente par PIV rapide, calcul des l’ensemble des composantes du tenseur des contraintes turbulentes.6) Simulation numérique des trajectoires de micro-particules par suivi Lagrangien en LES couplée au mélange d’un traceur passif : évaluation des fluctuations deconcentrations vues par un lot de 8000 micro-organismes suite à l’ajout d’un pulse de substrat. Effet de la position du point d’injection sur l’hétérogénéité de concentration.

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ces• SANCHEZ-GONZALEZ Y., CAMELEYRE X., JOUVE-MOLINA C., GOMA G., ALFENORE S. (2008)

Dynamic microbial response under ethanol stress to monitor Saccharomyces cerevisiaeactivity in different initial physiological states. Bioprocess and Biosystems Engineering.Sous Presse.

• DELAFOSSE A., LINE A., MORCHAIN J., GUIRAUD P., LES and URANS simulations ofhydrodynamics in mixing tank: comparison to PIV experiments, Chemical EngineeringResearch and Design, vol.150, acceptée pour publication, 2008

• HUCHET F., LINE A., MORCHAIN J., Evaluation of local energy dissipation rate in theimpeller stream of a rushton turbine by time-resolved PIV, Chemical Engineering Researchand Design, vol.150, acceptée pour publication, 2008

• DELAFOSSE A, MORCHAIN J., GUIRAUD P., LINE A., Trailing vortices generated by aRushton turbine: assessment of RANS and large eddy simulations, Chemical EngineeringResearch and Design, vol.150, acceptée pour publication, 2008

Invitées•12th International Congress on Yeasts, Kiev, Ukraine

10-15 Août 2008.•28th Symposium on Biotechnology For Fuels and

Chemicals, April 30- May 3 2006, Nashville, TN (USA).•IV International Congress and XV National Congress of

Biochemical Engineering, 4-7 April 2006, Morelia, Mexique•International Symposium on Mixing in the Process

Industries, ISMIP 6, Niagara on the lake, Ontario, Canada,17-21 August 2008.

•13th European conference on mixing, London,14-17 April 2009.

Colloques : 4


Intégration de puissance à très haute température

Hervé Morel

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Acronyme CoTHTEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 510 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 52,2



Mots clés • Électronique de puissance• Haute température • Matériaux magnétiques• Matériaux isolants et diélectriques• Carbure de silicium

Lab. AMPERE, INSA Lyon - LEBEY, Thierry – LAPLACE, Université Paul Sabatier, Toulouse 3GUILLEMET, Sophie - CIRIMAT, Université Paul Sabatier, Toulouse 3 - MAZALEYRAT, Frédéric - SATIE, CNRS Iles de France Est - BLUET, Jean-Marie - INSA Lyon

Dessin des masques de la puce en carbure de silicium intégrant des JFET latéraux de type p et n.

le programmeblanc

La disponibilité industrielle de transistor à effet de champ (JFET) en carbure desilicium (SiC) permet la réalisation de convertisseurs de puissance à

température ambiante supérieure à 200°C voire 300°C. C'est ce dernier objectifqui a mené les études conduites dans CoTHT.L'étude des isolants à haute température a montré que l'AlN pouvait être unsubstrat d'assemblage à condition de choisir convenablement le fournisseur. Laréalisation par frittage flash (SPS) de matériaux diélectriques, nanostructurés, amontré qu'il était possible d'obtenir des caractéristiques électriques stables jusqu'àhaute température. De même les études sur des matériaux isolants pour lapassivation ont montré que, par exemple, les polyimides permettent defonctionner sans dégradation jusqu'à 350°C si une protection contre l'oxydation

est mise en place. Au-delà, des verres devront être étudiés. Notons au passageque le champ critique dans les polyimides de l'ordre de quelques MV/cm estcompatible avec le carbure de silicium.Pour les matériaux magnétiques des solutions existent jusqu'à 500°C sous formede ruban en matériau nanostructuré.Concernant le driver des JFET à haute température un circuit incluant des JFETlatéraux susceptible de fonctionner jusqu'à 500°C a été développé. En particulier,la métallisation à haute température a été validée.Enfin, les caractérisations en régime de court-circuit des JFET de puissance en SiCont montré la nette supériorité du carbure de silicium sur le silicium.

Résumé

56

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLes verrous identifiés sont:• les technologies d'intégration latérale en carbure de silicium pour les drivers et l'électronique analogique: l'intégration de JFET complémentaires est un vrai challenge.• les matériaux isolants et diélectriques pour des applications au-delà de 300°C. En particulier la disponibilité de condensateurs fonctionnant à très haute température est

un verrou critique.• le packaging à très haute température qui n'a pas pu être abordé.

Résultats majeursLes résultats obtenus sont :• certains substrats d'AlN sont potentiellement utilisables pour les applications à très haute température,• des solutions existent pour les composants magnétiques jusqu'à 500°C,• une technologie de métallisation à haute température a été obtenue et validée,• la passivation avec du polyimide est réaliste jusqu'à 350°C sous ambiance non oxydante,• les JFET en SiC ont des tenues au court-circuit très supérieures aux composants en silicium.

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ces• S. Diaham, M-L. Locatelli, T. Lebey « Conductivity spectroscopy in aromatic polyimide from

200 to 400 °C » 2007, Applied Physics Letters, Vol. 91, N° 12, pp. 122913-1 à 3. • Hervé Morel, Dominique Bergogne, Dominique Planson, Bruno Allard and Regis Meuret,

New Applications in Power Electronics Based on SiC Power Devices. Materials ScienceForum Vols. 600-603 (2009) pp 925-930.

• N. Chasserio, S. Guillemet-Fritsch, T. Lebey, S. Dagdag “Ceramic substrates for hightemperature electronic integration” Journal of Electronic Materials, 2008 -adsabs.harvard.edu

Invitées•Hervé Morel « High Temperature Power Electronics in

the More Electric Aircraft » TEOS, Technologies forEnergy Optimised Aircraft Equipment Systems, Paris,France, 28-30 juin 2006.

•H. Morel « Approaches with SiC facing the Challenges ofPower Electronics in the More Electric Aircraft » SiC UserForum in the ECPE Annual Event 2006, Nuremberg, 14-15 March 2006.

•Hervé Morel Dominique Bergogne, Dominique Planson,Bruno Allard and Régis Meuret, New Applications inPower Electronics Based on SiC Power DevicesICSCRM'07, Otsu, Japan, October 2007, p 41.

Colloques : 15


Les propriétés de forte réactivité chimique et de faible coût énergétique desplasmas hors équilibre en font des outils attractifs pour le contrôle et la

stabilisation de flammes. PLASDECOM s’inscrit dans cette thématique et étudiel’application des décharges nanosecondes pour le déclenchement de lacombustion. L’un des intérêts du déclenchement de combustion par ces déchargesest de créer une zone spatiale d’allumage nettement plus étendue qu’avec unallumeur standard à étincelle, avec un effet qui peut être plus favorable que cedernier pour l’allumage en mélange pauvre. PLASDECOM vise à comprendre et àmieux maîtriser le dépôt d’énergie par décharge dans un mélangeair/hydrocarbure. Il a également pour but d’obtenir une compréhension de la

cinétique réactionnelle hors équilibre qui conduit à l’initiation de la cinétique decombustion. Les axes de travail sont : 1/ la caractérisation des phénomènesphysiques : description spatio-temporelle du dépôt d’énergie électrique enfonction des conditions d’excitation (durée et amplitude de l’impulsion de hautetension) et de la pression du mélange ; 2/ le décryptage de la cinétique duplasma : processus de production des radicaux et réactivité de ceux-ci ; 3/ lecouplage entre le plasma et le noyau de flamme : transition entre la réactivitéhors équilibre et la chaîne de propagation chimique de la combustion ; 4/l’implantation d’un dispositif d’allumage (« bougie plasma ») sur banc moteur etla caractérisation de ses performances.

Résumé

Allumage d'un mélange combustible par décharges nanosecondes

sources de radicauxStéphane Pasquiers

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Acronyme PLASDECOMEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 400 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 64,8


Discipline Sciences pour l’ingénieurMots clés • Décharges électriques

nanosecondes • Plasmas froids • Combustion• Propane • Isooctane

Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP) UMR 8578 du CNRS - Université Paris-Sud VERVISCH Pierre, COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie (CORIA), UMR 6614 du CNRS - Université de Rouen

le programmeblanc

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLes points durs de PLASDECOM sont multiples et se situent autant au niveau expérimental que théorique. Pour la partie expérimentale, cela concerne : la mesure d’émissiontotale du plasma par caméra rapide pour la caractérisation spatio-temporellle du dépôt d’énergie (résolution 1 ns), l’utilisation de méthodes spectroscopiques pour ladétection des radicaux sur des décharges pulsées à haute pression (densité en fonction du temps et en valeur absolue), la conception d’une bougie plasma et son implantationsur banc moteur (contrainte de géométrie et de taille). Au niveau théorique, il faut mentionner la cinétique complexe de dégradation des hydrocarbures et la modélisationcouplée de phénomènes ayant lieu sur des échelles de temps très différentes, de la nanoseconde (dépôt d’énergie) à la milliseconde (propagation de la flamme).

Résultats majeursUne bougie plasma à géométrie originale, avec éclateur à hydrogène intégré, a été mise au point et testée sur banc moteur, démontrant que la combustion initiée est plusrapide, plus complète et plus chaude que celle obtenue par étincelle. L’effet bénéfique de l’utilisation d’une alimentation à impulsion de haute tension à front de montéetrès rapide a été démontré. La stabilité cycle à cycle est meilleure. Les émissions de polluants sont réduites. Le dépôt d’énergie dans une décharge en géométrie pointe-plana été caractérisé, montrant deux régimes de fonctionnement, homogène et filamentaire. Une loi de similitude qui détermine la transition entre les deux régimes a été miseen évidence, reliant la distance inter-électrodes et la pression. La cinétique de production et la réactivité du radicale hydroxyle a été décryptée dans le mélange avec propane.

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cesArticles de revues

• Nanosecond scale discharge dynamics in high pressure air, P. Tardiveau, N. Moreau, F. Jorand, C. Postel, S. Pasquiers, P. Vervisch. IEEE Transactions on Plasma Science, 39(2008) 894.

• Ignition in an SI Engine using Nanosecond Discharges generated by a Spark Gap PlasmaIgniter (SGPI), E. Domingues, M. Burey, B. Lecordier and P. Vervisch. SAE paper 08SFL-0278 (6 pages), Society of Automotive engines, 2008.

Conférences internationales à comité de lecture• Pressure scaling effects on a nanosecond range diffuse discharge in air, P.Tardiveau,

N.Moreau, C.Postel, S.Pasquiers, 17th International Conference on Gas Discharges andApplications, Cardiff, Grande-Bretagne (7-12 septembre 2008). Proceedings, p.405-408.

• Kinetic of the hydroxyl radical and propane conversion in N2/O2(/H2O) high pressureplasmas, N.Moreau, N.Blin-Simiand, K.Gadonna, P.Jeanney, L.Magne, S. Pasquiers, C.Postel, P.Tardiveau, 19th European Sectional Conference on Atomic andMolecular Physics of Ionized Gases. Grenade, Espagne (15-19 juillet 2008). Proceedingssur CD-ROM.

Invitées

Colloques : 5


La diffusion des techniques de mesure de champs cinématiques par voie optiqueest en train de révolutionner la mécanique expérimentale des solides. En

particulier, dans le domaine de l’identification du comportement mécanique desmatériaux, ces mesures rendent possible l’utilisation d’essais plus complexesmenant à des champs cinématiques hétérogènes contenant plus d’informationque dans les essais classiques à champs simples (traction, flexion…).Néanmoins, l’extraction de ces paramètres doit dans ce cas faire appel à desprocédures inverses plus complexes et qui restent encore largement à développer.

Ce type de méthodologie commence à être maîtrisé dans le cas de comportementslinéaires élastiques, en isotrope voire en orthotrope, pour des matériauxhomogènes. Par contre, en dehors de ce cadre, tout reste à faire.L’objectif de ce projet est de développer cette démarche dans le cas de matériauxà comportements fortement non-linéaires ou hétérogènes, cas où les méthodesclassiques d’essais montrent vite leurs limites (localisation, dépendance spatialedes paramètres). Ce sujet est particulièrement original au niveau international etgénère actuellement beaucoup d’intérêt du point de vue scientifique.

Résumé

Photomécanique : stratégies innovantes d’identification de lois

de comportements mécaniques de matériauxFabrice Pierron

59

Acronyme PhotofitEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 266 240 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 70,2


Discipline Sciences pour l’ingénieurMots clés • Matériaux de structure

et fonctionnels • Photomécanique• Problèmes inverses• Comportement non linéaire • Expérimentation mécanique

Laboratoire de Mécanique et Procédés de Fabrication (LMPF), ENSAM - HILD François, Laboratoire de Mécanique et Technologie (LMT), ENS CachanGREDIAC Michel, Laboratoire de Mécanique et Ingénieries (LaMI), Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand/Institut Français de Mécanique Avancée

Identification du coefficient de Poisson d’une mousse auxétique par corrélation d’images et méthode des champs virtuels. Evolution du coefficient de Poisson avec la déformationmoyenne.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Développement d’algorithmes spécifiques de corrélation d’images numériques pour des mesures de déformations en grandes transformations, en présence de fissures etdes mesures dans le volume.• Développement de routines d’identification inverse à partir de mesures de champs pour des lois de comportement fortement non-linéaires et/ou des matériaux hétérogènes.• Conception d’essais mécaniques hétérogènes optimisés pour le traitement de mesures de champs et l’identification de plusieurs paramètres de comportement sur un seul

essai.

Résultats majeurs• Nouveaux algorithmes de corrélation d’images numériques : suivi de grandes transformations (corrélation incrémentale), utilisation de fonctions de type éléments finis,

enrichissement de la cinématique pour détecter des fissures (X-DIC), corrélation d’images volumiques (incluant la détection de fissures).• Adaptation et validation de la méthode des champs virtuels pour des lois de comportement hyperélastiques et élasto-plastiques, ainsi que pour des matériaux hétérogènes.• Essais mécaniques optimisés pour l’identification de rigidités de composites en membrane ou en flexion.

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ces• Promma, N. Raka B., Grédiac M., Toussaint E., Le Cam J.B., Balandraud X., Hild F.,

Application of the virtual fields method to mechanical characterization of elastomericmaterials, International Journal of Solids and Structures, 2008, accepté.

• Witz J.-F., Roux S., Hild F., Rieunier J.-B., 2008, Mechanical properties of crimped mineralwools: Identification from Digital Image Correlation, J. Eng. Mat. Tech., 130, 021016, 1-7.

• Kim J.-H., Pierron F., Wisnom M., Syed-Muhamad K., Identification of the local stiffnessreduction of a damaged composite plate using the virtual fields method, Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, vol. 38, n° 9, pp. 2065-2075, 2007.

• J. Réthoré, F. Hild, S. Roux (2008) Extended digital image correlation with crack shapeoptimization, Int. J. Num. Meth. Eng. 73 [2], 248-272.

• Pierron F., Vert G., Burguete R., Avril S., Rotinat R., Wisnom M., Identification of theorthotropic elastic stiffnesses of composites with the virtual fields method: sensitivity studyand experimental validation, Strain, vol. 43, n° 3, pp. 250-259, 2007.

• K. Syed Muhammad, E. Toussaint, M. Grédiac, S. Avril, J.H. Kim, Characterization ofcomposite plates using the virtual fields method using optimized loading conditions,Composite Structures, 85 (1), 70-82, 2008.

Invitées•S. Roux, J. Réthoré et F. Hild (2008). Recent Progress in Digital

Image Correlation: From Measurement to MechanicalIdentification, ICIPE 08, Journal of Physics: Conference Series, 9p.

•Pierron F., Full-field measurements for material characterizationusing the virtual fields method, XXXVII Convegno Nazionaledell'Associazione Italiana per l'Analisi delle Sollecitazioni, 11-13septembre à Rome, 2008.

•F. Hild, X. Fayolle, J. Réthoré et S. Roux (2008). Recent Progressin Digital image correlation: From measurement and Control toMechanical Identification. SEM 2008, Orlando (USA).

•Hild F., Rieunier J.-B., Roux S., Witz J.F., Thermomechanicalbehaviour prediction of crimped mineral wool. IUTAM symposiumon Mechanical properties of cellular materials, Cachan (F), 2007.

•Pierron F., Identification of materials mechanical properties fromfull-field measurements: latest advances in the virtual fieldsmethod, 6th BSSM International Conference on Advances inExperimental Mechanics, 9-11 sept. 2008 à Teddington (GB).

Colloques : 37


Les modèles mécaniques basés sur des descriptions continues enrichiespermettent de décrire l’endommagement diffus du matériau, l’amorçage de la

macro-fissuration et sa propagation tout en gardant un formalisme usuel enmécanique des milieux continus. Leur inconvénient majeur est l’absenced’information sur les caractéristiques de la macro-fissuration que l’utilisateursouhaite souvent avoir. L’estimation de l’ouverture des fissures est un paramètreclé pour déterminer la résistance des ouvrages à des agressionsenvironnementales régies par des transferts. C’est une question récurrente depuisque les modèles d’endommagement ont été appliqués au calcul d’ouvrages, unverrou fondamental pour leur emploi en ingénierie.

Nous proposons de lier les modélisations continues et discrètes et de permettre derépondre à la question de l’estimation d’une ouverture de fissure à l’aide d’unmodèle d’endommagement. Nous nous basons sur l’écriture d’une représentationnon locale d’une discontinuité et nous tentons d’établir sous quelles conditions leslois de comportement non locales peuvent converger vers cette limiteasymptotique. Cette approche sera comparée à des mesures expérimentales surdes disques sollicités en compression diamétrale et des éprouvettes de flexion, eten procédant à des essais de perméabilité des même disques en cours defissuration.

Résumé

Fissuration et rupture continue

Gilles Pijaudier-Cabot

61

Acronyme CONTIFISSEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 113 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 36



Mots clés • Endommagement• Fissuration• Ouverture de fissure• Perméabilité• Modélisation non locale

ERT R&DO, Institut de recherche en génie civil et mécanique – GEM, UMR 6183, Ecole centrale de Nantes, Université de Nantes, CNRS, Ecole Centrale de Nantes.Essai de fendage – géométrie et fissuration.

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62

Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLe calcul d’une ouverture de fissure – quantité fondamentalement rattachée à une représentation discontinue de la fissuration – à partir d’une modélisation continue est leverrou scientifique principal. L’approche alternative consiste à représenter explicitement la discontinuité faible (saut de déformation) ou forte (saut de déplacement). Dans lamécanique de la rupture, on considère que la discontinuité apparaît pour une valeur critique arbitraire de l’endommagement ou de la contrainte, fixée à l’avance. Or commel’instant de transition continu – discret conditionne le calcul de l’amplitude des discontinuités, celles-ci ne peuvent être calculées avec précision. Un enjeu scientifique connexeet commun avec les méthodes discrètes est la localisation de la fissuration.

Résultats majeursL’idée du projet CONTIFISS consiste à calculer une ouverture de fissure en comparant le champ de déformation non locale issu du modèle continu avec le champ dedéformation non locale issu de l’approche discontinue. Cette démarche a tout d’abord été validée sur un exemple unidimensionnel. Dans un contexte plus général (2D ou3D), il faut localiser la fissure et une procédure a été développée dans ce sens. Des essais permettant de disposer de données expérimentales pour valider notre approcheont été menés. L’application aux calculs d’étanchéité a été envisagée, du point de vue théorique avec la construction d’une loi couplant endommagement, ouverture de fissureet perméabilité comparée avec des données de la littérature et du point de vue de la validation expérimentale future avec un nouvel essai de fendage.

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ces• F. Dufour, G. Pijaudier-Cabot, M. Choinska, A. Huerta, Extraction of a crack opening from

continuous approach using regularized damage models, Computers and Concrete, Vol. 5,pp. 375-388, 2008.

• G. Pijaudier-Cabot, F. Dufour, M. Choinska, Permeability due to the increase of damage inconcrete: from diffuse to localised damage distributions, J. Engrg. Mech., in press, 2009.

• G. Pijaudier-Cabot, M. Choinska and F. Dufour, Damage and permeability in quasi-brittlematerials: from diffuse to localized properties, Multiscale Modelling of HeterogeneousMaterials, O. Cazacu Ed., ISTE - Wiley, 2008.

Invitées•G. Pijaudier-Cabot, F. Dufour, M. Choinska, Coupling

between Damage and permeability in quasi-brittlematerials, Symp. on physical aspects of fracture, scalingand size effect, Monte Verita, mars 2008.

•F. Dufour, G. Pijaudier-Cabot, M. Choinska, A. Huerta,Extraction of a crack opening from a continuous approachusing regularized damage models, conférence invitée,8th.World Congress on Computational Mechanics(WCCM8), Venice, Italy, 2008.

•G. Legrain, F. Dufour, A. Huerta, G. Pijaudier-Cabot,Extraction of a crack opening from a non local damagefield, Int. Conf. Comput. Plasticity, Barcelona, Sept. 2007.

•G. Pijaudier-Cabot, Endommagement et perméabilité desbétons de structures : couplages et changementsd’échelles, Conférence Plénière, Congrès Français demécanique, Grenoble, France, Août 2007.

Colloques : 5


Décharges à microcathode creuse pour production de micro-plasmas

réactifs à haute pressionLeanne Pitchford

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Microhollow cathode discharge (left) and plasma generation in a larger volume betweenthe microdischarge and a third, positively-biased electrode. Pure oxygen, 50 torr

le programmeblanc

MICROPLASRE has been a joint experimental and modelling project with themain objective being the study of the production of excited states and radical

species in high pressure, non-thermal plasmas created in different microdischargeconfigurations. A second objective has been to make fundamental investigationsto better understand plasma production in these configurations. “Microdischarges” or “microplasmas” are electric discharges or plasmas createdin small (100s of microns) geometries and operating at neutral gas pressures upto 1 bar. The interest in microdischarges is due to the fact that these dischargeconfigurations are stable up to atmospheric pressure and for high discharge power

densities (~100 kW/cm3). This stability is remarkable because it is difficult tomaintain non-equilibrium high pressure plasmas for any length of time; smallfluctuations tend to be unstable and trigger a rapid rise in the gas temperature(i.e. an arc).Discharge instabilities often initiate in the cathode regions, but by usingmicrodischarges as cathodes for a larger volume discharge, we can scale-up theplasma volume and maintain discharge stability. Quantification of the "cold"plasmas generated in such "microcathode sustained discharges" has been a largepart of our project. Scaling-up the plasma volume using arrays of microdischargeshas also been investigated in this project.

Résumé

Acronyme MircoPlasRéEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 420 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 75



Mots clés • Microdischarge• High pressure, non-thermal plasma• Discharge modelling and diagnostics• Discharge stability• Generation of reactive species

Centre de Physique des Plasmas et Applications de Toulouse, CPAT, CNRS - Université Paul Sabatier - PUECH, Vincent (Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas, UMR 8578, Orsay) - ROUSSEAU, Antoine (Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas, UMR 7648, Palaiseau)

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs

Résultats majeursThe main results from our project have been (i) comprehension of phenomena, including the stability and the observed self-pulsing mode (ii) quantification of plasmaproperties obtainable in these configurations using model and experiment (iii) scale-up of plasma volume using different geometries or parallel operation of multiplemicrodischarges and (iv) generation of singlet oxygen radical densities of greater than 1016cm-3 at atmospheric pressure and hence the opening of fascinating newopportunities for biological applications of non-thermal plasmas.

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ces• A Rousseau and X Aubert, "Self-pulsing microplasma at medium pressure range in argon",

J Phys D : Appl Phys, 39 1619-1622 (2006). • X Aubert, G Bauville, J Guillon, B Lacour, V Puech and A Rousseau, "Analysis of the self-

pulsing operating mode of a microdischarge" Plasma Sources Sci. Technol. 16 23-32(2007)

• E. Muñozi Serrano, G. Hagelaar, Th. Callegari, J.P. Boeuf and L.C. Pitchford, "Properties ofplasmas generated in microdischarges", Plasma Phys. Control. Fusion 48 B391–B397(2006).

• G Bauville, B Lacour, L Magne, V Puech, JP Boeuf, E Munoz-Serrano and LC Pitchford,"Singlet oxygen production in a microcathode sustained discharge", Appl Phys Lett 90031501 (2007).

• K. Makasheva, G. J. M. Hagelaar, J.-P. Boeuf, Th. Callegari, and L. C. Pitchford, "Ignition ofmicrocathode sustained discharge", IEEE Trans Plasma Sci, 36, 1236 (2008).

• J. Santos Sousa, G. Bauville, B. Lacour, V. Puech, M. Touzeau, and L. C. Pitchford,"O2(a1∆g) production at atmospheric pressure by microdischarge", Appl. Phys. Lett. 93,011502 (2008).

Invitées•A Rousseau, "DC Microplasmas : self-pulsing regime

and large volume generation", 3rd InternationalWorkshop on Microplasmas, May 2006, Greifswald

•L.C. Pitchford, "Generation of high-pressure non-thermalplasmas in discharges in small geometries", XXVIIIInternational Conference on Phenomena in IonizedGases , July 2007, Prague

•A. Rousseau, "New development in diagnostics ofmicrohollow cathode discharges",34th EPS Conferenceon Plasma Physics , July 2007, Warsaw

•L.C. Pitchford, "Mircocathode sustained discharges forthe generation of DC, non-thermal plasmas at high gaspressure",60th Gaseous Electronics Conference, Oct2007, Arlington, Virginia, USA

•V. Puech, "Microdischarges: Physics and application tothe production of singlet oxygen O2(a1¢)",16thInternational Colloquium on Plasma Processes, June2007, Toulouse

Colloques : 23


Les lasers à fibres optiques s'imposent aujourd'hui comme des alternativescrédibles aux lasers massifs pour produire des sources compactes, robustes et

fiables, y compris pour des applications industrielles, militaires ou spatialesnécessitant de fortes puissances d’émission. Cependant, un frein à la montée enpuissance de ces systèmes réside dans les fortes densités de puissance rencontréesqui sont, notamment, favorables à la génération d’effets non-linéaires perturbantle fonctionnement laser. Pour limiter ces effets, les partenaires du projet, sur labase de leur savoir-faire en conception et fabrication de fibres micro-structurées,ont proposé de nouvelles architectures de fibres amplificatrices composites àgaines internes constituées de silice haut indice. En premier lieu (voie 1), un cœur

intrinsèquement multimode d'indice élevé (potentiellement fortement dopé) et delarge section a été associé à divers types de gaine afin de rendre l'émissionmonomode en régime laser. D'autre part (voie 2), une gaine interne assurant unguidage du mode laser par bande interdite photonique a été mise au point etexploitée afin, notamment, de constituer un filtre spectral permettant la maîtrisedu rayonnement émis. Pour toutes les fibres étudiées, la prise en compte de larésistance aux courbures a fait l'objet d’une attention toute particulière afind'optimiser la compacité, à terme, des sources proposées. Plusieursdémonstrations expérimentales ont été obtenues au cours du projet.

Résumé

Fibres Optiques Composites Amplificatrices pour applications aux LASErs

de très forte puissancePhilippe Roy

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Acronyme FOCALASEEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 500 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 182,4

Autres IT : 39,8Recrutés :


Mots clés • Fibres laser• Fibres micro-structurées• Bande interdite photonique• Laser de puissance• Verre pour fibres optiques

Xlim Institut de recherche, UMR 7261 Université de Limoges-CNRS - BIGOT Laurent, PHLAM-IRCICA, UMR 8523 Université de Lille 1-CNRS - DUSSARDIER Bernard, LPMC,UMR 6622 Université de Nice (Sophia Antipolis)-CNRS

Préforme en cours de fabrication sur le banc MCVD

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLes principales difficultés auxquelles les partenaires ont été confrontées furent d'ordre technologique. En premier lieu, la production en volume (diamètre > 5 mm) dematériaux fortement dopés ytterbium présentant une valeur d'indice de réfraction précise et très homogène n'a pu être obtenue, ni au sein de consortium, ni à l'extérieur.Afin de contourner cette difficulté, les partenaires ont mis en œuvre des méthodes alternatives à base d'usinage de préforme, d’assemblage étirage multi-étapes, ou encorede production de verre à partir de poudres de silice. Lors de la réalisation des gaines internes, l'apparition, lors du fibrage, de bulles dues à la présence de germanium estdésormais mieux maîtrisée.

Résultats majeursDémonstration expérimentale du premier laser à fibre BIP (type Solid Band Gap 2D) dopée ytterbium émettant à 980 nm. Démonstration expérimentale d'une émissiontransversalement unimodale en régime laser par filtrage sélectif des modes réalisé par interaction entre le cœur multimode et la gaine résonante structurée.Compréhension théorique des principes de guidage dans les deux types de structures. Equivalence entre les modes guidés d’une fibre à BIP à faible contraste d’indice et lesmodes TM d’une structure 2D à fort contraste. Etude des pertes de confinement en fonction du taux de désordre.

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ces• Design of microstructured single-mode fiber combining large mode area and high rare

earth ion concentration L.Lavoute, P. Roy, A. Desfarges-Berthelemot, V. Kermène, S. FévrierOptics express, Vol.14, n°7, pp.2994-2999 (2006)

• Solid photonic bandgap fiber assisted by an extra air-clad structure for low-loss operationaround 1.5 Ìm A. Bétourné, V. Pureur, G. Bouwmans, Y. Quiquempois, L. Bigot, M. Perrinet M. Douay Optics Express, 15 2 p.316-324 (2007)

• Improvements of solid-core photonic bandgap fibers by means of interstitial air holes A.Bétourné, G. Bouwmans, Y. Quiquempois, M. Perrin, et M. Douay. Optics Letters 32 12,1719-1721 (2007)

• Ytterbium-doped solid core photonic bandgap fiber for laser operation around 980 nm V.Pureur, L. Bigot, G. Bouwmans, Y. Quiquempois, M. Douay, and Y. Jaouen Appl. Phys.Lett., 92 061113 (2008)

• Coexistence of total internal reflexion and bandgap modes in solid core photonic bandgapfibre with intersticial air holes M. Perrin, Y. Quiquempois, G. Bouwmans, M. Douay OpticsExpress, 15(21) (2007)

• Large mode area all-solid optical fibre lasers with tailored microstructured cladding Ph.Roy, S. Février, L. Lavoute, D. Gaponov, R. Jamier, C. Lecaplain, G. Martel, A. Hideur, M. E.Likhachev, M. M Bubnov, E.M. Dianov, M. Yu. Salganskii, V. F. Khopin, M. Yu. Yashkov, A.N. Guryanov, K. Schüster, J. Kobelke, S. Grimm Article invité, Fiber and Integrated Optics,27, pp 44 0-452 (2008)

Invitées•CLEO®/Europe-IQEC 2007, 17–22 June 2007,

Munich•WSOF 2008, invited paper, Soa Pedro, Brazil, August

20-22, 2008•Photonics 2008, New Delhi, Dec. 14-17, 2008•IEEE LEOS Winter Topicals conference 2008, Sorrento

Italy 14-16 January 2008•ICM AT’07, Singapoor, China (2007)

Colloques : 7


The improvement of confinement properties in magnetic fusion devices, such astokamaks, requires a better understanding of turbulent transport in plasma

flows. Therefore we are developing new adaptive numerical methods based onmultiscale (e.g. wavelets) and spectral representations to model and computedifferent types of turbulent flows encountered in fusion devices, e.g. in ITER.Plasma turbulence in tokamaks adds a level of complexity, like the toroidalgeometry, the fast rotation of the plasma, its interaction with the magnetic fieldand the resulting nonlinear collective effects, particularly in the scrape-off layer.

The actual needs are twofold: the development and validation of efficientnumerical methods to compute flows in tokamaks, and the development ofanalysis tools, which are applied to experimental and numerical data. Anadditional goal has been to contribute to the training of students and youngresearchers in the field of fluid mechanics, physics of plasmas and advancednumerical methods, adapted to study the effect of turbulence on tokamaks'performances.

Résumé

Méthodes multi-échelles pour l’analyse et la simulation numérique en turbulence

fluide et plasma. Application à la fusion dans les plasmas avec confinement magnétique

Kai Schneider

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Acronyme M2TFPEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 310 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 115,2



Mots clés • Turbulence• Fusion• Plasma• Multiscale methods• ITER

M2P2, UMR 6181, Université Aix-Marseille - FARGE, Marie; LMD, UMR 8539, CNRS, ParisSARAZIN, Yanick; IFRC, CEA, Cadarache - BENKADDA, Saddrudin; PIIM, UMR 6633, CNRS, Marseille

The formation of angular momentum and angular fields depends heavily on the shape of theconfinement. In non-circular boundaries a strong tendency to create angular momentum isobserved, which is absent in circular geometry. In the first row we show the time-evolution ofthe stream-function, which illustrates the formation of a large vorticity structure in the squaredomain, absent in the circular domain. In the second row the vector-potential shows the for-mation of large-scale angular fields (Bos, Neffaa and Schneider, Phys. Rev. Lett. 2008).

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Modeling of boundary conditions for MHD turbulence is a major problem in computational physics. • The understanding of the spontaneous rotation of the plasma in tokamaks is of primordial importance.• The identification and extraction of coherent structures (blobs, ELMs) observed in tokamak turbulence is essential to understand and predict the transport of both, heat and

impurities.

Résultats majeursWe extended the volume penalisation technique, up to now applied to hydrodynamics turbulence, to MHD turbulence. Therewith, decaying MHD turbulence has beensimulated in different wall bounded geometries. We thus discovered spontaneous spin-up in MHD turbulence in non-axisymmetric geometries, which is absent in axi-symmetric geometries. Lagrangian particle transport has been implemented in drift wave turbulence and in wall bounded fluid turbulence. The former was found to be non-intermittent, while the latter is, since walls give rise to extreme values in the Lagrangian acceleration. Matlab libraries for wavelet analysis and coherent vortex extractionhave been developed and applied to experimental and numerical data, in particular to drift wave turbulence.

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ces• W.J.T. Bos, S. Futatani, S. Benkadda, M. Farge, and K. Schneider. Role of coherent vorticity

in turbulent transport in resistive drift-wave turbulence. Phys. Plasmas, 15:072305, 2008.• W.J.T. Bos, S. Neffaa, and K. Schneider. Rapid generation of angular momentum in

bounded magnetized plasma. Phys. Rev. Lett., 101, 235003, 2008.• F. G. Jacobitz, L. Liechtenstein, K. Schneider, and M. Farge. On the structure and dynamics

of sheared and rotating turbulence: direct numerical simulation and wavelet-basedcoherent vortex extraction. Phys. Fluids, 20 (1), 1, 2008.

• B. Kadoch, W.J.T. Bos, and K. Schneider. Extreme Lagrangian acceleration in confinedturbulent flow. Phys. Rev. Lett., 100:184503, 2008.

• K. Schneider, and M. Farge. Final states of decaying 2D turbulence in bounded domains:influence of the geometry. Physica D, 237, 2228-2233, 2008.

• S. Futatani, S. Benkadda, Y. Nakamura, and K. Kondo. Characterization of intermittency ofimpurity turbulent transport in tokamak edge plasmas. Phys. Plasmas, 15:072506, 2008.

Invitées•Marie Farge: IUTAM Symposium on Computational Physics

and New perspectives in Turbulence, Nagoya University(Japan), 11-14 Septembre 2006

•Marie Farge: European-American Workshop 'Transport TaskForce', San Diego (USA), 17-20 April 2007

•Marie Farge: Isaac Newton Institute for MathematicalSciences, Inertial Range Dynamics and Mixing, September29 - October 3, 2008, Cambridge (UK)

•Kai Schneider: Isaac Newton Institute for MathematicalSciences, Inertial Range Dynamics and Mixing, September29 - October 3, 2008, Cambridge (UK)

•Kai Schneider: International Symposium on Frontiers inComputational Science, Nagoya University (Japan), 27-29November 2008.

Colloques : 27


Les feux de végétation sont des phénomènes complexes qui se déroulent surplusieurs échelles de longueurs et de temps. Si l’on apporte une quantité de

chaleur à la végétation, elle sèche d’abord puis les réactions de pyrolysess’initient. La pyrolyse du bois consiste en la dégradation de la cellulose et del’hémi cellulose, en monoxyde de carbone (principalement). On voit que plusieurséchelles sont mises en jeu allant du micromètre (échelle microscopique) pour lapyrolyse et le séchage au mètre (échelle macroscopique) pour l’entrelacs desbranches puis au kilomètre pour la propagation (échelle microscopique). Le projet

PIF s’est articulé au tour des thèmes suivants : Caractérisation de la végétationchimique et radiative, Modélisation de la propagation et applications, Métrologiepour le front de feux. Ce point de vue est celui adopté par les équipes françaises.Les équipes étrangères (canadiennes, américaines, australiennes principalement)ont adopté le point de vue d’étudier le feu uniquement à l’échelle macroscopique.Ceci entraîne que les équipes françaises apparaissent comme « leaders » dans ledomaine.

Résumé

Protection contre les incendies de forêts projet ANR 0264Oliver Séro-Guillaume

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Acronyme PIFEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancementPersonnels (H-m) C + EC + IR :

Autres IT : Recrutés :


Mots clés • Feux de forêts• Combustion• Propagation• Transfert Radiatif• Chimie de la pyrolyse du bois

LEMTA UMR 7563 - Bernard Porterie IUSTI UMR CNRS 65956Eric LEONI SPE UMR CNRS 6134 - Monique FERRER LSGC UPR 6811 - Isabelle SOCHET LEES UPRES EA 1205

Forme du feu au voisinage du seuil de percolation

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Métrologie pour le calibrage et la validation des modèles de propagation.• Manque d’instruments d’essais.

Résultats majeurs• Pyrolyse du bois à haut flux radiatif (modification des mécanismes réactionnels). Caractérisation des coefficients d’échange thermique convectif entre la végétation et le

gaz environnant ainsi que des propriétés radiative de la végétation. • Trois modèles de simulation de la propagation pour des feux de grande extension ont été élaborés et comparés à un cas réel. • Elaboration de systèmes de mesure permettant de déterminer la position du front de feu et son intensité.

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ces• J.H. Balbi, J.L. Rossi, T. Marcelli and P.A. Santoni. A 3D physical real-time model of

surface fires across fuel beds, Combustion Science and Technology 179 (12), [2007],2511-2537.

• Chetehouna K; Séro-Guillaume, O., Sochet, I., & Degiovanni A: On the experimentaldetermination of flame front positions and of propagation parameters for a fire.International Journal of Thermal Sciences, 47(9), pp. 1148-1157, 2008

• D. Calogine, N. Rimbert and O. Séro-Guillaume “Modelling of the deposition of retardantin a tree crown during fire fighting”, Environmental Modelling & Software, 22, pp1654-1666. 2007.

• B. Porterie, J-L. Consalvi, J-C. Loraud, F. Giroud, C. Picard, Dynamics of wildland fires andtheir impact on structures, Combustion and Flame, 149(3) 314-328, 2007.

• B. Porterie, N. Zekri, J.P. Clerc, J.C. Loraud, Modeling forest fire spread and spotting processwith small-world networks, Combustion and Flame, 149(1-2) 63-78, 2007.

• O. Séro-Guillaume, S. Ramezani, J. Margerit, D. Calogine : « On large Scale Forest FiresPropagation Models », International Journal of Thermal Sciences, 47, 680-694.2008

Invitées•O. Séro-Guillaume « Présentation d’un simulateur à

grande échelle de la propagation des feux de forêts »,Colloque « Stop Feux », Marseille 12 Mai 2006.

•O. Séro-Guillaume. « Some Applications of forest firessimulation in the large ». In “Forest Fires: Suppressionor Adaptation”. Madrid 3, 4 Octobre 2007

•Porterie. B, Statistical approach to wildland firepropagation, Conf. Mathematical modelling andnumerical simulation of forest fire propagation, Lectureinvitee, Vigo, Espagne, 2007

Colloques : 18


Le projet présenté vise à combiner une approche d’ingénierie macromoléculaireavec les techniques d’émulsification microfluidique pour synthétiser des

microparticules de polymères ayant des structures tout à fait nouvelles. Ainsienvisage-t-on la synthèse de collier de perles de polymère et la formation departicules multicouches de structure oignon à gradient de fonctionnalité. Outrel’intérêt scientifique que peut présenter la rhéologie des colliers de perle et

l’intérêt technologique à faire coalescer des microgouttes pour obtenir unestructure oignon, l’obtention de telles microparticules ouvrirait la porte à denouvelles applications dans les domaines de l’électronique plastique ou lebiomédical. On citera ainsi à titre d’exemple, de nouveaux capteurs piézo-électriques, de nouvelles encres électrophorétiques ou bien encore de nouveauvecteurs biomédicaux.

Résumé

Des Emulsions Microfluidiques aux Particules de Polymères Microstructurées

Christophe Serra

71

Acronyme EMP2MEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 290 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 36,9



Mots clés • Emulsion• Microfluidique• Particule• Polymère• Microtructure

Laboratoire d’Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies (LIPHT), Université de Strasbourg -PRAT Laurent, Laboratoire de Génie Chimique (LGC), Institut National Polytechnique de Toulouse

Schémas de principe des différents systèmes microfluidiques axisymétriques à flux co-cou-rants utilisés (haut) pour la génération d’émulsion simple (gauche), binaire (centre) etdouble (droite) ainsi que les images optiques des gouttelettes générées (bas).

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Scientifique : Choix de photoamorceurs hydrophiles ; modification de surface des capillaires ; établissement de lois empiriques ; compromis entre temps de résidence,

puissance de la source UV et concentration en photoamorceur…• Technologique : La fabrication des puces microfluidiques Si/Verre initialement prévue au début du projet a souffert de nombreux problèmes techniques nous poussant à

l’utilisation de microsystèmes à base de capillaires.

Résultats majeurs• Mise au point de systèmes microfluidiques axisymétriques à flux co-courants ou à focalisation hydrodynamique pour la génération d’émulsions : simple, double et alternée.• Mélange, réaction, ajout ou soutirage de phases secondaires.• Synthèse de particules de polymère monodisperses en taille (10 - 500 µm) et de microstructures variées : billes pleines, capsules de morphologies membranaires

différentes, particules polymère-polymère de type cœur-écorce, particules hybrides organique-inorganique, particule fonctionnalisées en surface, collier de perles depolymères.

• Détermination de relations empiriques permettant de prédire le diamètre de particules et celui du cœur en fonction des conditions opératoires (débits volumiques etviscosités des différentes phases, diamètres des aiguilles et des microcanaux).

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ces• Serra C. A., Z. Chang, Microfluidic-assisted synthesis of polymer particles, Chem. Eng.

Technol., 31 (8) (2008) 1099-1115.• Bouquey M., C. Serra, N. Berton, L. Prat and G. Hadziioannou, Microfluidic synthesis and

assembly of reactive polymer beads to form new structured polymer materials, Chem. Eng.J., 15 (S1) (2008) S93-S98.

• Serra C., N. Berton, M. Bouquey, L. Prat and G. Hadziioannou, A predictive approach of theinfluence of operating parameters on the size of polymer particles synthesized in asimplified microfluidic system, Langmuir, 23 (14) (2007) 7745-7750.

• Serra C., N. Berton, M. Bouquey, L. Prat and G. Hadziioannou, Synthèse de particules depolymères de taille contrôlée dans un microsystème co-courant axisymétrique, RécentProgrès en Génie des Procédés, 96 (2007).

• Hessel V., C. Serra, H. Löwe and G. Hadziioannou, Polymerisationen in mikrostrukturiertenReaktoren: ein Überblick, Chem.-Ing.-Tech., 77 (11) (2005) 1693-1714.

Invitées•Serra C., Synthesis and assembly of size-controlled polymer

beads and capsules in an axisymmetric co-flowing microsystem,Workshop on Miniaturized laboratory techniques in chemistryand biology, Ilmenau/Elgersburg (Germany), 26-28 February2008.

•Hessel V., H. Löwe, C. Serra and G. Hadziioannou, Microprocess engineering for polymers and fine chemicals, In Proc. of9th International Workshop on Polymer Reaction Engineering,Hamburg (Germany), 7-10 October 2007.

•Serra C., M. Bouquey and C. Rosenfeld, Polymerization inmicrofluidic devices: modelling, copolymers and polymerparticles synthesis, Workshop on Microfluidic technology and itsapplications to organic chemistry, biology, polymer reaction andprocessing, Strasbourg (France), 4 September 2006.

Colloques : 11


Ce projet concerne le développement des méthodes, des modélisations et desoutils de simulation numérique permettant de déterminer dans le cadre de la

dynamique des structures et des systèmes couplés fluide-structure des conceptionsoptimales robustes vis-à-vis des incertitudes de modélisation. Les méthodologiesnumériques pour l’identification robuste des paramètres des modèles numériquesincertains concernent deux classes de problématiques :- la conception robuste des systèmes mécaniques complexes vis-à-vis desincertitudes de modélisation.

- le recalage robuste des modèles numériques incertains des systèmesmécaniques à partir de données expérimentales (fonctions de réponse enfréquences expérimentales ou données modales expérimentales)Ces deux problématiques conduisent à une formulation du problèmed’optimisation non linéaire sous contraintes dans un cadre stochastiquepermettant d’identifier les paramètres optimaux du modèle numérique enprésence d’incertitudes.

Résumé

Conception robuste en dynamique des systèmes mécaniques complexes incertains

Christian Soize

73

Acronyme CORODYNAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 35 000 €Personnels (H-m)) C + EC + IR : 34


Discipline Sciences pour l’ingénieurMots clés • Dynamique des structures

et des systèmes couplés • Incertitudes de modèle• Identification des modèles numéri

ques en présence d’incertitudes • Problèmes inverses stochastiques • Conception et recalage robuste

Laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle, FRE3160 CNRS, Université Paris-Est Marne-la-Vallée.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursJusqu’à présent la conception robuste avec des modèles numériques incertains était menée en ne prenant en compte que les incertitudes sur les paramètres du systèmemécanique. Or, pour les systèmes complexes la plus grande source d’incertitudes est liée aux erreurs de modélisation. Le premier verrou était de prendre en compte lesincertitudes de modèle pour obtenir une robustesse réaliste. Un autre point dur de ce projet a été lié à la mise en œuvre numérique des problèmes inverses stochastiques,principalement en ce qui concerne le choix des algorithmes numériques d’optimisation.

Résultats majeursDéveloppement d’une méthodologie générale pour la conception et l’identification robuste de systèmes complexes avec des grands modèles numériques présentant desincertitudes de modélisation.Validation avec succès sur des cas industriels concernant :- l’identification expérimentale des paramètres d’un modèle industriel numérique d’habillage d’automobile en vibro-acoustique interne.- l’identification robuste des paramètres d’un modèle mécanique de la synthèse vocale.- l’identification robuste des paramètres d’un modèle industriel numérique contrôlant le désaccordage intentionnel des roues aubagées en présence des forcesaérodynamiques instationnaires.- l’identification par méthodes stochastiques inverses des chargements liés aux écoulements turbulents sur les faisceaux de barres de combustibles nucléaires à partir demesures vibratoires sur les barres dans le cadre d’une dynamique non-linéaire.

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ces• E. Capiez-Lernout, C. Soize, “Robust updating of uncertain damping models in structural

dynamics for low- and medium- frequency ranges, Mechanical Systems and Signal Processing,22(8), pp. 1774-1792, 2008.

• E. Capiez-Lernout, C. Soize, « Robust design optimization in computational mechanics”, ASMEJournal of Applied Mechanics, 75(2), pp. 021001-021011, 2008.

• E. Capiez-Lernout, C. Soize, “Design optimization with an uncertain vibro-acoustic model”, ASMEJournal of Vibration and Acoustics, 130(2), pp. 021001-021008, 2008.

• C. Soize, Construction of probability distributions in high dimension using the maximum entropyprinciple. Applications to stochastic processes, random fields and random matrices, InternationalJournal for Numerical Methods in Engineering, 76(10), 1583-1611, 2008.

• C. Soize, E. Capiez-Lernout, J.-F. Durand, C. Fernandez, L. Gagliardini, ”Probabilistic modelidentification of uncertainties in computational models for dynamical systems and experimentalvalidation”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 198(1), 150-163, 2008.

• C. Soize, E. Capiez-Lernout, R. Ohayon, Robust updating of uncertain computational models usingexperimental modal analysis, AIAA Journal, 46(11), 2955-2965, 2008.

Invitées•C. Soize, Maximum entropy principle for stochastic models in

computational sciences. EM08, The Inaugural InternationalConference of the Engineering Mechanics Institute, Universityof Minnesota, Minneapolis,USA, May 16-21, 2008.

•C. Soize, Nonparametric probabilistic approach ofuncertainties in computational elastoacoustics of complexsystems. Experimental identification and validation. LSAME08, Leuven Symposium on Applied Mechanics inEngineering,Leuven, 31 March - 2 April 2008

•C. Soize, C. Chen, J.-F. Durand, D. Duhamel, L. Gagliardini,“Computational elastoacoustics of uncertain complex systemsand experimental validation”, ECCOMAS Thematic Conferenceon Computational Methods in Structural Dynamics andEarthquake Engineering, Rethymno, Crete, Greece, 13-16June 2007.

Colloques : 21


Le projet TOMOSOLIDAL concerne l’étude par microtomographie X desmicrostructures de solidification et de refusion d’alliages Al-Cu ainsi que des

défauts qui peuvent être générés lors d’une déformation de l’alliage lorsque lesphases liquide et solide coexistent (solidification et refusion). Les caractérisationsont été menées à l’ESRF Grenoble soit à température ambiante après solidificationcomplète des échantillons soit à la température où les phases solide et liquidecoexistent grâce au développement de la tomographie rapide réalisée in-situ.Dans ce projet, les contributions des différents partenaires ont concerné l’analyse

des résultats obtenus relatifs aux évolutions microstructurales en solidification etrefusion, la mise au point d’essais de traction à l’état pâteux, l’amélioration de lacorrection des ring artefacts qui perturbent les images après reconstruction, ladétermination de la perméabilité des structures semi-solides aux différentesétapes de la solidification et la mise au point d’un logiciel de corrélation d’images3D capable de déterminer les déformations locales subies par le matériau lorsd’une sollicitation donnée.

Résumé

Investigation par tomographie X in-situ de la solidification et de la formation des défauts

dans les alliages d’aluminiumMichel Suery

75

Acronyme TOMOSOLIDALEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 440 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 37

Autres IT : 3Recrutés : 69,5


Mots clés • Fomographie x• Solidification• Alliages d’aluminium• Defauts de solidification• Refusion partielle

SUERY Michel, Laboratoire SIMaP/GPM2, INPG - MAIRE Eric, MATEIS, INSA LYON - BORNERT Michel, LMS, Ecole Polytechnique Palaiseau, CNRS - BERNARD Dominique, ICMCB Bordeaux, CNRS

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursLes verrous ont été essentiellement d’ordre technologique à la fois pour les expériences de solidification et pour les essais de traction.Pour les expériences de solidification, il s’agissait en effet de pouvoir porter à l’état liquide un échantillon de 1 à 1.5 mm de diamètre et de le solidifier en lui imposant desrotations de 180°. Ce problème a été résolu en jouant sur l’oxydation de l’échantillon qui permet de le maintenir à l’état liquide sans container. Pour les expériences detraction, il s’agissait en plus de pouvoir imposer à un échantillon une traction tout en le portant à l’état pâteux. Le problème a été résolu en chauffant localement l’échantillonpar induction.

Résultats majeursLes résultats majeurs issus de ce projet concernent :- la mise en évidence de différences importantes dans les lois d’évolutions des microstructures lorsque celles-ci sont déterminées directement à l’état pâteux par rapport àcelles déterminées classiquement sur des coupes métallographiques à température ambiante- la possibilité de déterminer certains paramètres de la microstructure inaccessibles en 2D- la réalisation d’essais de traction in-situ à l’état pâteux- l’adaptation d’un logiciel de corrélation d’images 3D aux caractéristiques particulières des images tomographiques d’alliages semi-solides et le développement deprocédures spécifiques donnant accès aux hétérogénéités de déformation à méso-échelle en cours de solidification- l’amélioration des logiciels de correction des « ring artefacts » qui perturbent les images après reconstruction- le développement d’un logiciel de détermination de la perméabilité des structures semi-solides.

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ces• N. LIMODIN, L. SALVO, M. SUERY, M. DIMICHIEL, «In-situ investigation by X-Ray tomography of

the overall and local microstructural changes occurring during partial remelting of an Al-15.8wt%Cu alloy», Acta Materialia, 55 (2007) 3177-3191

• S. TERZI, N. LIMODIN, E. BOLLER, L. SALVO, M. SUERY, “X-Ray microtomography investigation ofthe effect of Ba additions on the microstructure of partially remelted Al-4%Cu alloys”, ConférenceInternationale “Semi-Solid Processing of Alloys and Composites”, Sept. 2008, Aachen, Solid StatePhenomena, Vols. 141-143 (2008) 475-480

• N. LIMODIN, L. SALVO, M. SUERY, F. DELANNAY, “Capillary equilibrium in a semi-solid Al-Cuslurry”, Int. Journal of Mat. Research, accepté pour publication

• N. LIMODIN, L. SALVO, M. SUERY, F. DELANNAY, “Assessment by microtomography of 2D imageanalysis methods for the measurement of average grain coordination and size in an aggregate”,Scripta Materialia, accepté pour publication

• N. LIMODIN, L. SALVO, E. BOLLER, M. SUERY, M. FELBERBAUM, S. GAILLIEGUE, K. MADI, “In-situand real-time 3D microtomography investigation of dendritic solidification in an Al-10wt%Cualloy”, Acta Materialia, soumis pour publication en Avril 2008

Invitées•SUERY M., “Microstructural characterisation of partial

melt alloys by in-situ X-Ray microtomography,Conférence invitée à l’Ecole d’Eté Marie Curie “Partiallymolten and amorphous materials”, Estremoz, Portugal,20-30 Août 2007

Colloques : 10


Contrôle des propriétés de films minces ou épais organosiliciés déposés et modifiés

par plasma pour un usage multifonctionnelPhilippe Supiot

77

Evolution de la rugosité (RMS) pour les films épais en fonction de ÙO2, paramètre indiquant la richesse en oxygène du mélange réactif pour un débit de monomère donné (Débit TMDSO = 5 sccm, Pu=200W (carré vides), 300W (cercles pleins), 400 W (cercles vides)

le programmeblancCe projet concerne la préparation par RPECVD de films polymères organosiliciés

multifonctionnels pour la conception de micro-bioréacteurs et de micro-capteursTHz. A cette fin, des films épais (10-30 >m) ayant une rugosité de surfaceminimale sont nécessaires pour la réalisation technologique de lignes depropagation THz ainsi qu’une surface fonctionnalisée pour permettre l’accrochaged’entités biologiques. Les films polymères organosiliciés (ppTMDSO) sont déposésen couches minces et épaisses déposés par RPECVD dans un réacteur placé en avald’un plasma d’azote par décomposition d’un précurseur vaporisé (TMDSO) en pré-

mélange avec O2 et/ou N2. Ce projet présentait les objectifs principaux suivants :1) L’étude de l’influence des conditions de croissance (variation des paramètresde dépôt : puissance, Stoechiométrie de mélange ; existence ou non de poudre surles films) et de modification in situ des films (temps de traitement) sur leurspropriétés physiques et physico-chimiques et de leur mise en œuvre dans descircuits hyperfréquences.2) L’études des potentialités de procédés d’accrochage de biomolécules sur Si etppTMDSO et la mise au point d’une méthodologie pour quantifier leur efficacité.

Résumé

Acronyme CPFOEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 130 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 57,6

Autres IT : 18Recrutés : Doctorants : 139,4


Mots clés • Polymères plasma organosiliciés• Dépôts et traitements assistés

par Plasma• Micro-systèmes BioMEMS• Hyperfréquences• Greffage de biomolécules

SUPIOT Philippe - Laboratoire de Génie des Procédés d’Interaction Fluides Réactifs - Matériaux (GéPIFRéM) UPRES-EA 3571 – UST LILLE I - BOCQUET Bertrand - Institutd'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) UMR CNRS 8520 - GUILLOCHON Didier - Laboratoire de Technologie des Substances Naturelles (LTSN)Renommé Procédés Biologiques et Génie Enzymatiques et Microbien (ProBioGem) - UPRES EA 1026 – UST LILLE I

78

Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Scientifiques : mesures quantitatives sur l’abondance et la répartition des tailles des particules générées dans le réacteur RPECVD (diffusion de Mie) ;• Organisationnels : réalisation sur un même réacteur des opérations de dépôt et de diagnostics de la phase gazeuses ; ruptures fréquentes dans la chaîne de micro technologie.

Résultats majeurs• Première cartographie de la répartition des poudres (majoritairement en périphérie du cône de réaction) et nouvel éclairage sur le mécanisme de polymérisation du TMDSOdans le réacteur RPECVD de dépôt de ppTMDSO. Forte influence de la puissance sur la rugosité lors du passage d’un film mince (1 micron) à un film épais (30 microns).• Modélisation de la cinétique de transformation du film ppTMDSO dans la post-décharge d’un plasma N2/O2 : prise en compte de la contraction.• Immobilisation d’une enzyme, la trypsine, par liaison covalente sur un film d’allylamine déposé par plasma froid.

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ces• Growth and modification of organosilicon films in PECVD and Remote Afterglow reactors P.

SUPIOT, C. VIVIEN, A. GRANIER, A. BOUSQUET, A. MACKOVA, F. BOUFAYED, D. ESCAICH,P. RAYNAUD, Z. STRYHAL AND J. PAVLIK, Plasma Processes and Polymers (2006) 3 100-109

• Preparation and characterization of thin organosilicon films deposited on SPR chip S.SZUNERITS, S. ABOU RICH, Y. COFFINIER, M-A. LANGUILLE, P. SUPIOT, ANDR.BOUKHERROUB, Electrochemica Acta (2008) 53, 11, 3910-3915

• ppTMDS as a new polymer technology for high throughput BioMEMS designV. MILLE, N.-E. BOURZGUI, C. VIVIEN, P.SUPIOT and B. BOCQUET, Journal ofMicromechanics and Microengineering (2008) 18 125026 (10 pp)

• New technology for high throughput THz BioMEM, V. MILLE, N.E. BOURZGUI, C. VIVIEN, P. SUPIOT, B. BOCQUET, CDrom, 28th Annual International, Conference of theIEEE Engineering in Medecine and Biology Society, New York USA 30 Aug-3 Sept. 2006,pp. 3505-3508.

Invitées•Thermochemical behavior of organosilicon films

elaborated by a cold plasma polymerization process. B.Mutel and P. Supiot, 5th International Symposium onPolyimides and other high temperature polymers,Orlando (2007)

Colloques : 7


Conditions Aux Limites Instationnaires pour les équations de Navier-Stokes

Christian Tenaud

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Couche limite d’un canal plan : champ de vitesse instantanée, obtenu par Stéréo-PIVrapide, dans un plan parallèle à la paroi à une altitude y+ = 100. Les vecteurs sont for-més par les composantes de vitesse tangentielles au plan, la composante normale estreprésentée en couleurs.

le programmeblanc

Résumé

Acronyme CALINSEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 390 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 205,20


Discipline Sciences pour l’ingénieurMots clés • Écoulements turbulents

• Simulation intensives (DNS, LES)• Stéréo-PIV rapide• Décomposition orthogonale aux

valeurs propres• Identification de modèles d’ordre réduit

TENAUD Christian, LIMSI UPR 3251 Orsay, CNRS - DELVILLE Joël, LEA UMR 6609 Poitiers, CNRS / Université de Poitiers CORDIER Laurent, LEMTA UMR 7563 Nancy, CNRS / INP Lorraine - STANISLAS Michel, LML UMR 8107 Lille, Université des Sciences et Technologies de Lille / CNRS

Le but de ce projet est de construire des générateurs de conditions aux limitesinstationnaires, génériques, mimant avec une physique représentative la

dynamique de l’écoulement, pour définir des modèles de paroi ou établir desconditions d’interface amont dans le cadre de la simulation des grandes échelles(LES). La démarche suivie, mêle intimement approches expérimentales etdéveloppements numériques. L’objectif est ainsi de diminuer la taille et le coûtdes simulations en réduisant la longueur d’adaptation aux conditions délivréespar le modèle. Le domaine d’application de ce problème couvre les approchesnécessitant de coupler des données instationnaires, à de tels calculs :réactualisation de simulation (météorologie), variation des conditions frontières

(contrôle), considération d’événements rares etc ... L’étude conduit à développerdes procédures opérationnelles, représentatives d’applications de type« ingénieur ». La procédure suivie consiste à établir des tenseurs de corrélationsen deux points qui sont utilisés pour interpoler/extrapoler le comportement auxgrandes échelles de l’écoulement à partir d’approches statistiques basées sur lesoutils : POD, identification de systèmes dynamiques et déconvolution sélective.Ces procédures sont validées sur trois configurations d’écoulements : couche demélange, canal plan et couche limite pour la génération de conditions réalistes :à la frontière amont de LES ou modélisant la zone de paroi.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• l’enregistrement de bases de données expérimentales par "Dual Plane Stereo PIV" pour augmenter la précision et les résolutions spatiales et temporelles.• la détermination de systèmes dynamiques stables pour des longs temps d’intégration par différentes techniques et la définition des limites de validité des méthodes. • l’interfaçage des données fournies par les systèmes dynamiques avec les conditions aux limites des codes LES ; en particulier, l’incidence des conditions d’interface surla résolution de la contrainte de divergence nulle en écoulement incompressible et le couplage par les modes acoustiques des conditions d’entrée et de sortie.

Résultats majeursNous avons développé des systèmes dynamiques stables qui respectent relativement bien la convergence énergétique. Il faut souligner que c'est la première fois qu'uneapproche expérimentale de Stéréo-PIV rapide est utilisée pour construire un système dynamique. Les systèmes dynamiques proposés s’avèrent opérationnels pour desdynamiques simples sur des temps longs ou sur des temps courts pour des dynamiques plus complexes. Reste donc ouvert le problème de la stabilisation du modèle réduit,problème sur lequel nous continuons à travailler. Nous avons montré la faisabilité du couplage des systèmes dynamiques avec les LES en canal plan, tant au niveau desconditions d’entrée que de celles de paroi.

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ces• L. Perret, E. Collin & J. Delville (2006), Polynomial Identification of POD based low-order

dynamical system. Journal of Turbulence 7 (17).• Bergmann M., Cordier L. & Brancher J.-P. (2007), Drag Minimization of the Cylinder Wake

by Trust-Region Proper Orthogonal Decomposition. Springer, series Notes on NumericalFluid Mechanics and Multidisciplinary Design (NNFM), 95.

• Bergmann M. & Cordier L. (2007): Optimal control of the cylinder wake in the laminarregime by Trust-Region methods and POD Reduced Order Models. J. Comp. Phys., 227:7813—7840.

• L., Delville J. & Bonnet J.P. (2007), Review of Some Fundamentals of Data Processing:Proper Orthogonal Decomposition. Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Springer-Verlag.

• L. Perret, J. Delville, R. Manceau, and J.P. Bonnet (2008), Turbulent inflow conditions forlarge-eddy simulation based on low-order empirical model. Physics of Fluids 20: 075107.DOI 10.1063/1.2957019

Invitées•Bergmann M., Cordier L. & Brancher J.-P. (2006) Drag

Minimization of the Cylinder Wake by Trust-Region ProperOrthogonal Decomposition. Keynote conference at Active FlowControl 2006, Berlin, 27-29 September 2006.

•J. Delville, L. Perret, J.P. Bonnet, R. Manceau (2007):Turbulent Mixing Layers: a Test Case for Coupling Experiments,Theory and Unsteady Computations, Keynote conference atAIAA-2007- 4618 Session: FD-32 Miami 25—28 June2007.

•C. Tenaud, F. Abéguilé, L. Lorang-Vo Dinh and Y. Fraigneau(2007): Generation of unsteady boundary conditions in the LESframework, Invited talk at the University of Coimbra, Portugal30 September 2007.

Colloques : 13


Matériaux et Dispositifs Supraconducteurs pour l’Energie

Pascal Tixador

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Figure de pôle par EBSD d’un tube NiW partiellement recouvert de LZO montrant leurstextures cubiques à 45°.

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Résumé

Acronyme MADISUPEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 535 045 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 182,7



Mots clés • Supraconducteurs• Dépôts chimiques• Hyper-texturation• Limiteur de courant de défaut• Conducteurs déposés YBaCuO

Pascal TIXADOR, CNRS RHONE-ALPES / lab. : CRETA, - Philippe GALEZ, UNIVERSITE DE SAVOIE CHAMBERY /SYMME - Dominique LUNEAU, UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1 LMI - Jean-Maxime SAUGRAIN, Nexans France

MADISUP a permis de beaucoup progresser dans la connaissance desconducteurs supraconducteurs YBaCuO déposés, de leur élaboration à leur

utilisation via un consortium de compétences verticales, académiques etindustrielles, du fondamental à l’appliqué. La synthèse par voies chimiques estbien mieux connue et les points bloquants sont identifiés. Une filière complète aété définie pour la production de conducteur YBaCuO déposé par des procédésindustriels. La combinaison astucieuse de 2 voies chimiques (MOD + MOCVD) adémontré tout son intérêt et ses potentialités. Un gros travail sur les outils decaractérisation a été mené pour accompagner ces recherches avec de puissantsmoyens d’investigation. Des voies originales à forte potentialité comme les

substrats FeNi ont été explorées. La compréhension des phénomènes de limitationdu courant par ces conducteurs YBaCuO a progressé. Les résultats obtenus nousplacent dans la course internationale avec des solutions plus simples (architectureminimaliste avec des dépôts uniquement chimiques), donc avec un potentielimportant. Le conducteur YBaCuO rond constitue une véritable rupturetechnologique que les concepteurs de dispositifs supraconducteurs attendaientcomme le « Saint Graal ». Les résultats sont encore modestes, mais prouventqu’un fil rond YBaCuO est possible avec un procédé industriel. Les bases de latechnologie commencent à être établies et les compétences nécessairesrassemblées.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursConducteur YBaCuO souple à bas coût et adapté aux applications visées. Architecture la plus simple pour le conducteur. Nouveau substrat métallique hypertexturé pour induireune croissance épitaxiée de l’YBaCuO. Dépôts par voie chimique des couches tampons et de l’YBaCuO. Problème d’interface pour une croissance épitaxiée entre un métal etun oxyde. Compréhension des phénomènes aux premiers instants de la limitation du courant, modèles associés. Modèle magnétothermique numérique des supraconducteurs

Résultats majeursConducteur avec architecture minimaliste (couche tampon unique) NiW/LZO/YBCO/Ag et Jc > 8 GA/m2. Proposition d’un conducteur YBCO rond (« saint Graal ») par NexansCouplage des procédés chimiques MOD et MOCVD. Dépôts réussis de LZO sur constantan et NiW par MOD et de CeO2 et d’YBaCuO sur LZO par MOCVD. Nouveaux substratsà base de FeNi. Compréhension des mécanismes d’oxydation sur le constantan. Capteurs de températures locales, validation modèle thermique du limiteur. Couplage magnétothermique avec un supraconducteurs dans FLUX®.

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ces• P. Tixador, G. David, T. Chevallier, G. Meunier, K. Berger, « Thermal-electromagnetic

modeling of superconductors », Cryogenics, vol. 47, 2007, pp. 539-545.• P. Tixador, Y. Cointe, C. Villard, A. Usoskin, « Limiting experiments with coated conductors

», IEEE transactions on Applied Superconductivity, vol. 17, 2007, pp. 3467-3470.• A. Girard, P. Bastie and J.L. Soubeyroux, « Real time in-situ hard X-ray texture evolution

during the annealing of rolled CuNi tapes » Applied Physics A, vol 90 (1), 2008, pp. 179-184

• A. Villaume, L. Porcar, D. Bourgault, A. Antonevici, T. Caroff, J.P. Leggeri, C. Villard, « In-situ strain and transport magneto optical investigations in Superconductors »,Superconductor Science Technology, vol. 21, 2008, 034009.

• T. Caroff, S. Morlens, A. Abrutis, M. Decroux, P. Chaudouet, L. Porcar, Z. Saltyte, C.Jimenez, P. Odier, F Weiss, “La2Zr2O7 single buffer layer for YBCO RABiTS coatedconductors”, Superconductor Science and Technology, 2008, 21,075007.

• T.K. Jondo, Ph. Galez, J.-L. Jorda, J. Le Roy, J.C. Marty, J.L. Soubeyroux, “The oxidationmechanisms of Cu54Ni45Mn1 (Constantan) tapes: Kinetic analysis”, Thermochimica Acta,Volume 475, Issues 1-2, 15 September 2008, Pages 44-52

Brevets : 2

Invitées•P. Odier, “Coated conductor: some critical aspects

from substrate to device”, BIMW – CMRS 06, Juin06, Pékin,

•P. Tixador, Y. Cointe, C. Villard, A. Usoskin,“Applications of Coated Conductors in FCL’s”, papierinvité au colloque international CCA2006 (CoatedConductor for Applications), Ludwigsburg (D), 3-5Juillet 2006.

•T. Caroff, “Chemical routes for high Jc YBCO CoatedConductor tapes: study of new architectures”,colloque international CCA2006 (Coated Conductorfor Applications), Ludwigsburg (D), 3-5 Juillet 2006.

•P. Odier, « Chemical Deposition of oxide buffer layersfor Coated Conductors », EUCAS Sept 2007.

•L. Porcar, « Magneto-optics», EUCAS Sept 2006.

Colloques : 18


Résumé

Revêtements multimétalliques complexes : Technologies d’élaboration avancées,tribologie et mouillabilité optimisées

Constantin Vahlas

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Acronyme RevmetEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 500 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 228



Mots clés • Alliages complexes métalliques• Dépôt chimique en phase vapeur• Dépôt physique en phase vapeur• Mouillage• Tribologie

VAHLAS Constantin, Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux UMR 5085,Institut National Polytechnique de Toulouse - FOURNÉE Vincent, Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie UMR 7584, CNRS - CHATAIN Dominique, Centre Interdisciplinaire deNanoscience de Marseille UPR 3118, CNRS - FONTAINE Julien, Laboratoire de Tribologie et deDynamique des Systèmes UMR 5513, Ecole Centrale de Lyon

Alliage complexe métallique Al4Cu9. Micrographie de surface par microscopie électroniqueà balayage et diffractogramme de rayons X d’un film élaboré par dépôt chimique en phasevapeur (MOCVD). La phase approximante Al4Cu9 présente de propriétés intéressantes, defrottement ou en tant que sous-couche d’accrochage pour des matériaux revêtus. C’est lapremière fois que cette phase, et plus généralement un alliage complexe métallique eststabilisé sous la forme d’un film par MOCVD. Cette première ouvre des perspectives pro-metteuses pour les traitements de surface de pièces de géométrie non plane.

le programmeblancL’objet de la recherche proposée est l’élaboration et la caractérisation des

phases métalliques dont la structure cristalline est fondée sur des maillesunitaires géantes, contenant jusqu’à plus de mille atomes. Dans ces matériaux,les échelles de longueur physiques sont considérablement plus petites que ladimension de la maille unitaire avec, comme résultat, une variété de propriétéset des combinaisons de propriétés uniques qui sont mutuellement exclues dansdes matériaux conventionnels. A cause de leur composition multiélémentaire,associée avec des domaines de stabilité étroits, très peu de travaux ont étérapportés sur l’élaboration de ces matériaux sous la forme de couches minces etde revêtements.

Des films minces de Al, Cu, Fe, Al-Cu et Al-Fe ont été élaborés par des techniquesde dépôt physique en phase vapeur (PVD) et de dépôt chimique en phase vapeurà partir de précurseurs métalorganiques (MOCVD). Leurs propriétés tribologiqueset de mouillage ont été caractérisées. Le projet a conduit à l’organisation et lastimulation d’échange de connaissances sur les propriétés étudiées et à la créationde savoir faire et d’une plateforme d’équipement de recherche pour le dépôt defilms de ces alliages. Les connaissances acquises ont été valorisées par descommunications, des publications ainsi que dans le cadre du réseau d’excellenceeuropéen « Complex Metallic Alloys ».

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs• Identification de précurseurs métalorganiques des éléments à déposer, satisfaisant le cahier de charges préétabli. Accès aux et in fine contrôle des mécanismes dedépôt. Etablissement de la relation « conditions d’élaboration – microstructure/composition » dans le cadre du procédé MOCVD.• Réalisation d’essais de mouillage sur des surfaces métalliques telles qu’élaborées (exemptes de traces d’oxydation)• Contrôle de la diffusion interfaciale dans les systèmes multicouches Al-Cu-Fe déposées sur substrat acier nécessitant des traitements thermiques post-déposition à destempératures élevées (600°C).

Résultats majeurs• Elaboration de films d’alliages complexes métalliques (phase approximante Al4Cu9) directement par MOCVD pour la première fois.• Mise au point de procédée MOCVD originaux pour l’élaboration de films minces de Cu et de Fe à basse température, à partir de précurseurs exempts d’oxygène.• Utilisation de la phase approximante Al4Cu9 comme interphase pour assurer une adhérence requise entre substrat métallique et revêtements non-adhérents.• Le mouillage des quasicristaux par les métaux liquides de type métal sur surface métallique, contrairement à ce qui était attendu (mouillage du type métal sur oxyde).• Coefficient de frottement particulièrement faible (<0,1) pour la phase Al4Cu9.• Comportement fragile des phases approximantes Al3Cu4 et Al4Cu9 sous sollicitation tribologique, comparé au comportement ductile des alliages conventionnels

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ces• “Surface Alloys as Interfacial Layer between Quasicrystalline and Periodic Materials”. T.

Duguet, J. Ledieu, J.M. Dubois and V. Fournée J. Phys. Condens. Matter., 20 (2008)314009.

• “Clean and oxidized surfaces of Complex Metallic Alloys”. V. Fournée. Book series onComplex Metallic Alloys – Vol. 3. World Scientific, Singapore.

• Thermal behaviour of CpCuPEt3 in gas phase and Cu thin films elaboration. F. Senocq, A. Turgambaeva, V. Krisyuk, N. Prud'homme, U. Patil, D. Samélor, A. N. Gleizes,C. Vahlas, Surface and Coatings Technology, 201 (2007) 9131-9134.

• An experimental and computational analysis of a MOCVD process for the growth of Al filmsusing DMEAA. C. Xenidou, A.G. Boudouvis, N.C. Markatos, D. Samélor, F. Senocq, A.N.Gleizes, C. Vahlas, Surface and Coatings Technology, 201 (2007) 8868-8872.

• Those properties of Complex Metallic Alloys we know something about. V. Fournée, M. G. Barthès-Labrousse, J.M. Dubois. Solid State Phenomena series, TransTech Publications Ltd, Switzerland, 138 (2008) 407-450.

• Surface segregation anisotropy and the equilibrium crystal shape of alloy crystals.P.Wynblatt, D. Chatain, Reviews on Advanced Materials Science, in press

Invitées•Chemical Vapour Deposition of Metals: from Unary Systems to

Complex Metallic Alloys C. Vahlas, plenary lecture at the 3rdEuropean School in Materials Science, Ljubljana, 26-31 May2008.

•Chemical Vapor Deposition of Metallic Coatings: From SingleElements to Complex Metallic Alloys. C. Vahlas, Frontiers inComplex Metallic Alloys, Colloquium, Institut of Physics, Zagreb,1-4 October 2008

•Oxidation resistance improvement of turbine materials bymetalorganic chemical vapour deposited coatings C. Vahlas,Advanced Processing for Novel Functional Materials (APNFM2008), Dresden, 23-25 January 2008

•New phenomena in epitaxial growth: solid films onquasicrystalline substrates. V. Fournée, XXI Congress of theInternational Union of Crystallography, Osaka, Japan (2008).

Colloques : 16


Notre activité s'est organisée à partir des phénomènes qui accompagnent ladivision de la matière. Ce thème, aux ramifications anciennes, est vital aux

frontières de la connaissance d'aujourd'hui et pour nombre de questions concrètespuisqu'il concerne, par exemple, le problème du mélange et ses extensions vers le

mûrissement des mousses ou de la chimiotaxie et ceux de la fragmentation, desliquides ou des solides. L’unité profonde qui relie tous ces volets est la recherche des lois de distribution(concentrations, tailles de gouttes, de fragments…).

Résumé

Fragmentation-MélangeEmmanuel Villermaux

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Acronyme MélangesEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 180 000 €Personnels (H-m) C + EC + IR : 144



Mots clés • Mélange et agrégation• Mousses• Chimiotaxie• Fragmentation liquide• Fragmentation solide

Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors-Equilibre, Université de Provence Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels, Université de Provence

Etat de mélange d'’une goutte d’encre initialement ségréguée dans une couche de liquidevisqueux agitée.

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points durs

Résultats majeurs•Le Mélange vu comme un processus d’agrégation et ses conséquences (PRL, JFM), •Le mûrissement des mousses, •L’introduction du concept d’infotaxie (breveté, Nature), •Le lien entre la structure des sprays et la dynamique ligamentaire (plusieurs articles dans JFM, Annual Reviews, Rep. Prog. Physics), •Le lien entre fragmentation et élasticité (PRL, deux articles dans Proc. Roy. Soc).

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ces• Villermaux, E. and J. Duplat \ 2006 \ Coarse grained scale of turbulent mixtures. Phys.

Rev. Letters 97, 144506.• Duplat, J. and Villermaux, E. \ 2008 \ Mixing by random stirring in Confined mixtures. J.

Fluid Mech., 617, 51—86.• Vergassola, M., Villermaux, E. and Shraiman, B. \ 2007 \ Infotaxis as a strategy to search

without gradients.. Nature 445, 406--409.• Villermaux, E. \ 2007 \ Fragmentation. Annu. Rev. Fluid Mech. 39, 419--446.• Eggers, J. and Villermaux, E. \ 2008 \ Physics of Liquid Jets. Rep. Prog. Physics 71,

036601.• Vermorel, R., Vandenberghe, N. and Villermaux, E. \ 2007 \ Rubber band recoil. Proc. Roy.

Soc. A 463, 641--658.Brevets : 1

Invitées•Mixing and Atomization. Small scale turbulence: Theory,

Phenomenology, and Applications, Cargèse, Corsica,August 13--25, 2007.

•Singular and collective effects in liquid fragmentation.Program on ``Singularities in mechanics : formation,propagation, and microscopic description'', Institut HenriPoincaré, Paris, February 18--22, 2008.

•Fragmentation under impact. Geometrical Singularitiesand Singular Geometries, Institute for Mathematics andIts Applications (IMA), Minneapolis, July 14--25, 2008.

•Liquid Fragmentation. Keynote Lecturer at the MaxPlanck Institute International school and workshop on``Dynamics of Inertial Particles: From Ocean andAtmosphere to Planets'', Dresden, Germany, September1--26, 2008.

•Fragmentation. Invited Plenary Lecture given at the22nd European Conference on Liquid Atomization andSpray Systems (ILASS), 8--10 September 2008, ComoLake, Italy.

Colloques : 20


L’atomisation de jets liquides assistée par des co-courants de gaz est unphénomène complexe faisant intervenir une large gamme d’échelle. Depuis la

structure de l’épluchage près de l’injecteur jusqu’au brouillard plus ou moinsdense en aval, l’écoulement est diphasique, turbulents, et soumis à desinstabilités complexes. Les travaux expérimentaux ont permis de dégager depremiers résultats, mais ne renseignent pas sur les mécanismes fondamentauxd’instabilité, l’écart avec la théorie restant important. Récemment plusieursnouvelles approches théoriques sont apparues : théorie visqueuse de Orr-

Sommerfeld, théorie de croissance transitoire. En outre, les capacités numériquesse sont accrues avec l’apparition de nouvelles méthodes Volume de Fluide (VOF)avec raffinement adaptatif de maillage. Très récemment, au cours de l’annéeécoulée, de premières possibilités de simulations massives, mais toujoursbidimensionnelles sont apparues. Ces nouvelles simulations sont réalistes, au sensoù elles fonctionnent dans les véritables paramètres de rapport de massevolumique air-eau et prennent en compte des géométries solides plus ou moinscomplexes.

Résumé

Dynamique de l’atomisation assistée

Stéphane Zaleski

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Acronyme DYNAAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 420 000 €Personnels v C + EC + IR : 52



Mots clés • Atomisation• Goutte• Simulation numérique massive• Combustion• Aérospatial

ZALESKI Stéphane, Institut d'Alembert, UPMC - CARTELLIER Alain, LEGI, UMR CNRS et Univ J. Fourier GrenobleSIMONIN Olivier, IMFT, UMR CNRS et INP Toulouse - ESTIVALEZES Jean-Luc, ONERA, Centre de Toulouse

le programmeblanc

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Verrous scientifiques et technologiques, ou points dursMalgré les progrès récents des calculs, un des verrous importants reste la puissance de calcul requise lorsque l’on approche de configurations réalistes, tridimensionnelles etde domaines de calculs suffisamment grands. Le seul moyen de réaliser ces calculs est de s’autoriser à effectuer des calculs sous-résolus dans les régions lointaines, où ladynamique est moins complexe. Bien que dans une grande partie de ce domaine le brouillard soit peu dense, il est nécessaire de prendre en compte un domaine de tailleréaliste pour éviter un effet de confinement très sensible sur l’écoulement de la phase gaz.

Résultats majeursDes progrès considérables ont été réalisés au cours l’ANR DYNAA. Sur le plan expérimental, le désaccord entre les mesures de longueur d’onde longitudinale sur les jetsronds de Marmottant et Villermaux et sur les jets plans de Raynal a été résolu dans la thèse de Ben Rayana (2007). Ces nouvelles mesures ont pu être comparées à laprédiction d’un nouveau mode d’instabilité, le mode H, par Boeck et Zaleski (2005) et Boeck et al. (2007). Pour la première fois, des calculs dans les conditions del’expérience ont put être réalisés.

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• Eugenio Aulisa, Sandro Manservisi, Ruben Scardovelli and Stephane Zaleski 2007Interface reconstruction with least-squares fit and split advection in three-dimensionalCartesian geometry J. Comput. Phys, 225, pp 2301-2319.

• Thomas Boeck, Jie Li, Enrique López-Pagés, Philip Yecko and Stéphane Zaleski 2007,Ligament formation in sheared liquid–gas layers , Theor. Comput. Fluid Dynamics, Vol 21,pp 59-76.

2008• A. Bague , T. Boeck , D. Fuster , L. Le Moyne , A. Leboissetier, S. Popinet , P. Ray , R.

Scardovelli and S. Zaleski 2008 Simulation of primary atomization with an octree adaptivemesh refinement and VOF method accepté sous réserve de modifications à International JMultiphase Flow.

Invitées2007•S. Zaleski 2007 Recent Advances in the Simulation of

Fluid Interfaces and Applications to Droplet atomizationand Splashing, International Conference on FluidDynamics, ICFD 2007 Conference 26-29 March 2007,Reading, UK.

•S. Zaleski 2007 Simulation of Jet and Droplet Formationin Droplet Impact and Atomizing Jets, IUTAM symposiumon Recent Advances in Multiphase Flows: Numerical andExperimental, Istanbul, Turkey, June 11 - 14, 2007.

•S. Zaleski 2007 The Taylor-Culick end rim and mechanicsof droplet formation, Symposium on Two-phaseincompressible flow : modelling aspects and methods fornumerical simulation, RWTH Aachen, 25-27 June 2007.

Colloques : 16


U S A Runité support de l’ANR

CNRS USAR3 rue Michel Ange

75794 Paris CEDEX 16

Documents

le progr bammelanc - CNRS - DGDR€¦ · de démonter la faisabilité d’un bioréacteur à membrane couplé à une unité de nanofiltration pour affinage de son perméat pour l’élimination