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Nos Thèses par thème

Simulation mésocopique de procédés de caractérisation des aciers par mesure de bruit Barkhausen

Département Imagerie Simulation pour le Contrôle (LIST)

Laboratoire Simulation et Modélisation en Electro-magnétisme

Master 2 ou équivalent en Physique

01-09-2018

SL-DRT-18-0642

anastasios.skarlatos@cea.fr

L'utilisation dans l'industrie du bruit Barkhausen comme mesure indicatrice de l'état des matériaux magnétiques, tels que les aciers, est aujourd'hui de plus en plus répandue. Cette mesure est en effet très corrélée à l'état microscopique du matériau, comme son état de contrainte, sa microstructure ou la proportion des différentes phases métallurgiques par exemples. Elle est typiquement utilisée pour le suivi de la constitution chimique des aciers avant et après traitement mécanique ou thermique, ou encore l'estimation de leur état de contrainte. Malgré son grand intérêt pratique, son interprétation est rendue difficile en raison de la complexité phénomènes physiques sous-jacents. Le développement d'outils de simulation sophistiqués est donc nécessaire pour améliorer la compréhension des mesures réalisés et accéder à des évaluations quantitatives des grandeurs caractéristiques. Du point de vue de la modélisation, le problème à résoudre est complexe en raison de son caractère multi-échelle. Les approches existantes dans la littérature pour la modélisation du bruit Barkhausen peuvent être séparées en deux catégories : celles s'appuyant sur des calculs de Monte-Carlo pour obtenir une description à l'échelle du spin d'une part, et celles dites mésoscopiques d'autre part, qui visent à résoudre un problème magnétostatique à l'échelle des domaines magnétiques (domaines de Weiss). Dans ces approches, les équations de Maxwell sont résolues en considérant une configuration simplifiée des domaines en termes de géométrie et de déplacement de parois magnétiques. Le sujet de cette thèse consiste à implémenter un outil de simulation optimisé pour la caractérisation des aciers, basé sur une approche mésocopique. Cet outil exploitera des considérations empiriques sur la répartition et la dynamique des parois des domaines afin de remonter aux signaux macroscopiques mesurés et d'étudier la statistique des grandeurs caractéristiques du phénomène. Les calculs magnétostatiques seront réalisés à l'aide d'un code numérique 3D basé sur la méthode des intégrations finies (finite integration technique - FIT) développé au CEA LIST. La représentativité des calculs unitaires menés à petite échelle sera déterminante pour la validité du traitement statistique permettant d'inférer les signaux macroscopiques mesurés. Les résultats théoriques seront confrontés aux expériences sur des configurations bien maîtrisées. La campagne de travaux expérimentaux sera réalisée au sein du laboratoire Roberval à l'Université de Technologie de Compiègne (UTC), qui est partenaire de ce projet de thèse. Les travaux réalisés seront valorisés sous la forme de communications scientifiques dans des revues internationales ainsi que sous la forme logicielle d'un module intégrant la plateforme de simulation CIVA, permettant le transfert aux utilisateurs industriels d'outils logiciels dédiés au applications de CND.

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Modélisation thermique de la cristallisation des alcools de sucre pour le stockage par Matériau à Changement de phase

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Stockage Thermique

MASTER2 ou école d'ingénieur

01-09-2018

SL-DRT-18-0650

fabrice.bentivoglio@cea.fr

La chaleur représente plus de 50% de la consommation finale d'énergie en France et a été identifiée, dans le cadre du Grenelle de l'environnement puis de la loi sur la transition énergétique (TECV), comme une source potentielle majeure de réduction d'émission de CO2, via notamment le développement des réseaux de chaleur qui, en centralisant la production, permettent une meilleure efficacité des moyens de production et une intégration accrue des énergies renouvelables et de récupération (ENR&R). Le développement de réseaux de chaleur intelligents permettrait d'améliorer encore l'efficacité énergétique et l'intégration des énergies renouvelables. L'une des briques essentielles de ces réseaux intelligents est le stockage thermique. Le stockage thermique par matériau à changement de phase (MCP) permet une densité de stockage (kW.h/m3) accrue par rapport à un stockage simple sous forme de chaleur sensible, adaptée au stockage de chaleur dans les sous-stations des réseaux de chaleur urbain, pour lesquels l'encombrement est un paramètre prépondérant. Les stockages thermiques par MCP pour réseaux de chaleur urbains ou industriels aujourd'hui à l'étude à l'échelle du démonstrateur utilisent des MCP de la famille des paraffines, des alcools gras ou des acides gras. Ces MCP présentent une densité de stockage supérieure d'environ 50%, à celle de l'eau. Les alcools de sucre (ou polyols) présentent une densité de stockage encore supérieure (2 à 3 fois celle de l'eau), sont peu chers, ne présentent aucun danger (comestibles) et ne sont pas corrosifs. Ces MCP « idéaux » ne présentent qu'un seul inconvénient : une probabilité de cristallisation spontanée et une vitesse de cristallisation très faibles qui les rendent impossible à utiliser dans un stockage sans ajout d'un système dédié à forcer sa cristallisation. Le Laboratoire de Stockage Thermique (LITEN ? CEA Grenoble) travaille sur des systèmes de stockage par MCP de technologie tube et calandre pour les alcools de sucre dont la température de fusion est adaptée aux réseaux de chaleur urbains. Pour cette technologie, le bullage a été identifié comme un moyen efficace de forcer la cristallisation des alcools de sucre. L'hypothèse actuelle est que le bullage génère un cisaillement mécanique qui augmente la probabilité de cristallisation spontanée du MCP. Le bullage transporterait alors un champ de cisaillement dans tout l'espace d'une cuve de stockage, rendant la restitution de la chaleur indépendante de la vitesse de cristallisation. Ce principe de bullage a été testé avec succès à l'échelle du laboratoire (500g), d'un tube inclus dans une calandre (1kg) et d'un faisceau de tubes (400kg). Ces essais ont donné des résultats très encourageants mais ont aussi mis en évidence des phénomènes physiques complexes de retard à la cristallisation, de couplage entre des aspects thermiques et statistiques et de transport de bulle. L'objectif de la thèse proposée est, en s'appuyant sur des essais expérimentaux menés sur les installations du Laboratoire de Stockage Thermique, de modéliser la restitution de chaleur des alcools de sucre en couplant les aspects thermiques et ceux liés à sa cinétique de cristallisation. Des modèles CFD et 2D ont été développés dans le cadre de thèses précédentes pour des MCP ne présentant pas de difficulté à cristalliser (paraffines), basés sur des modèles enthalpie-porosité de Voller. Ces modèles serviront de point de départ à ce travail de thèse sur la modélisation de la cristallisation des alcools de sucre. Le travail de thèse fera l'objet d'une partie bibliographique sur les modèles de cinétique de cristallisation des alcools de sucre et l'effet de l'agitation et du bullage sur la cristallisation, d'une partie de développement de modèles couplant cinétique et thermique et d'une partie de validation de ces modèles sur des essais expérimentaux, à l'échelle « analytique » du laboratoire et selon les résultats jusqu'à l'échelle intégrale d'un faisceau de tubes.

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Compréhension des phénomènes de vieillissement d'un module photovoltaïque innovant pour application spécifique, et mise en place de tests de vieillissement adaptés

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Modules Photovoltaïques Silicium

Formation d'ingénieur en physique et physico-chimie des matériaux

01-09-2018

SL-DRT-18-0652

benoit.braisaz@cea.fr

Les principales défaillances observées sur les modules photovoltaïques sont associées à la fiabilité et la durabilité à la fois des procédés d'interconnexion et d'encapsulation, et des matériaux de mise en module. Les principales dégradations des modules photovoltaïques sont les suivantes : délamination, jaunissement, corrosion, fissuration des cellules et rupture des interconnexions. L'amélioration de la tenue dans le temps des modules s'intègre dans le développement des nouvelles générations de modules : elle repose sur l'analyse des défaillances des modules, nécessite la mise en place de tests de vieillissement accéléré pertinents destinés à étudier le comportement des modules dans le temps, et des moyens de caractérisation avancés pour la compréhension physico-chimique des phénomènes de dégradation. Dans le cas des modules innovants susceptibles d'être utilisés comme matériaux de structure (ex : route solaire), les modules subissent des contraintes climatiques combinées : pressions mécaniques, variations de température, variations de courant, température basse (<-5°C) et élevée (>60°C), gel, humidité, eau stagnante (rosée) et de ruissellement (pluie), éclairement (solaire et UV), sel (salage des routes), et ombrages intermittents. La compréhension des mécanismes physico-chimiques à l'origine des dégradations observées permettra d'identifier les phénomènes impliqués et d'autre part, de les reproduire lors d'essais accélérés en conditions contrôlées afin d'évaluer les solutions les plus durables. Pour cela les plateformes de caractérisation des matériaux du LEPMI et de DURASOL seront sollicitées.

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Recyclage des matériaux composites par traitement en fluide supercritique

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire de ThermoConversion de la Bioressource

Master 2 ou Ecole d'ingénieur Génie des procédés

01-10-2018

SL-DRT-18-0660

anne.roubaud@cea.fr

Le sujet porte sur l'étude et le développement d'un procédé utilisant un fluide supercritique pour le recyclage des matériaux constituants les composites à base de fibres de carbones : résines et fibres. L'usage des matériaux composites est en constante augmentation pour remplacer les alliages métalliques dans de nombreux produits industriels, les équipements sportifs, pour l'automobile, l'aéronautique, la marine. Cet usage pose un problème environnemental lors de la fin de vie des équipements. Depuis 20 ans, diverses technologies de traitement ont été développées : des traitements mécaniques et thermiques tels que la pyrolyse et thermochimique comme la solvolyse. Ce procédé permet de dégrader la résine la rupture des liaisons dans les polymères sous l'effet de l'eau ou du solvant combiné à la température. Cela conduit à la fragmentation de la structure polymérique et produit des monomères ou des fragments de monomères en solution dans le solvant. On peut ainsi récupérer les fibres du composites et des produits issus de la dégradation de la résine. Les fluides supercritiques seront utilisés car ils présentent l'avantage d'une grande diffusivité dans les matériaux en plus de leur réactivité. L'objectif de ce travail sera de définir les conditions procédés nécessaires à la destruction des matrices polymères constitutives des matériaux composites à base de fibres de carbone afin de pouvoir recycler les fibres mais aussi valoriser les molécules issues de la dépolymérisation de la matrice. Pour cela il sera nécessaire d'analyser précisément les composés obtenus et de déterminer les mécanismes réactionnels de cette dépolymérisation qui conduisent à leur formation. Afin de garantir la recyclabilité des fibres de carbone, les propriétés mécaniques des fibres après traitement devront être caractérisées ainsi que leur état de surface. Ce travail pourra aboutir à une première évaluation technico-économique du procédé développé.

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Algorithmes de gestion optimale de batterie pour les systèmes à architecture à cellules commutées

Département Systèmes

Laboratoire Electronique Energie et Puissance

Diplome d'ingénieur ou Master 2 en électronique, électrotechnique, automatisme et/ou traitement du signal

01-10-2018

SL-DRT-18-0663

vincent.heiries@cea.fr

Bien qu'ayant profité de progrès majeurs au cours des dernières années, les batteries souffrent toujours de certaines limitations, notamment en terme de densité d'énergie, de durée de vie et parfois de sécurité. Dans ce contexte, l'architecture brevetée de batterie à cellule commutés proposée et développé dans le laboratoire L2EP représente une innovation majeure dans ce domaine et permet d'aller au-delà de certaines de ces limitations. Aujourd'hui, les batteries sont, pour l'essentielle, constituées d'une mise en série de cellules traversées par le même courant. Ces systèmes sont alors limités par la plus faible des cellules mises en série. Un des avantages de l'architecture à cellules commutées mise au point est de pouvoir exploiter de manière différenciée chaque cellule et ainsi de tirer le meilleur partie de chacune d'elle. Un premier objectif de la thèse est justement de proposer un algorithme permettant d'exploiter au mieux l'énergie de l'ensemble des cellules de la batterie afin d'augmenter l'autonomie du système tout en maximisant sa durée de vie. Un second objectif de cette thèse est l'élaboration d'algorithmes d'estimation innovants des indicateurs SoX (SoC : State of Charge ; SoH : State of Health, SoE : State of Energie) des accumulateurs en s'appuyant sur une utilisation optimale des potentialités nouvelles offertes par l'architecture à cellules commutées. En particulier, l'estimation de la capacité cellule pourrait être grandement améliorée par une charge-décharge maitrisée de certaines cellules de manière individuelle. Les algorithmes d'estimation de SOx de type observateurs bayésiens et d'apprentissage statistique bénéficieront pleinement de ces fonctionnalités et pourraient afficher des performances inégalées.

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Estimation précise et robuste de l'état de vieillissement de piles PEMFC par observateurs bayésiens dans le cadre d'une approche basée modèle

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Electronique avancée, Energie et Puissance

ingénieur générale en analyse de sytème, en automatique, en traitement du signal

01-10-2018

SL-DRT-18-0665

vincent.heiries@cea.fr

Le PHM (Prognostics and Health Management) représente une réelle opportunité en vue d'une amélioration des performances des piles à combustibles et d'une augmentation de leur durée de vie. Ce champs d'étude a récemment beaucoup gagné en intérêt. Le but principal est d'utiliser de manière optimale les données mesurées par l'ensemble des capteurs disponibles afin d'évaluer les indicateurs caractéristiques du vieillissement et éventuellement modifier l'opération de la pile afin d'optimiser sa durée de vie. La thèse proposée se place dans le cadre d'une approche basée modèle et s'appuiera sur l'expertise en modélisation des piles à combustible développées au laboratoire de modélisation LMP. Un estimateur ?en-ligne' de l'état de vieillissement de la pile sera développé. L'observateur envisagé présente la caractéristique de combiner un modèle d'état dérivé à partir du modèle pile MEPHYSTO, avec les différentes données capteurs disponibles (tension, courant, pression, température). Il permet d'opérer de manière conjointe une estimation des variables d'état, et en particulier l'état de vieillissement, ainsi que la mise à jour des paramètres du modèle. Etant donné la nature des variables d'état à estimer, on se dirigera vers des observateurs sophistiqués adaptés aux problèmes non-linéaires et non-gaussiens permettant d'obtenir une solution approchant l'estimé Bayésien optimal.

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