Un des ingrédients principaux pour la simulation numérique des écoulements des fluides (hydrocarbures, gaz naturel) en milieux poreux est la discrétisation des termes elliptiques anisotropes et hétérogènes. Dans l’industrie pétrolière, la nécessité d’améliorer la précision des simulations dans les régions proches des puits a suscité l’utilisation de maillages non structurés généraux et des tenseurs de perméabilité pleins. Notre défi a été de trouver des discrétisations consistantes et robustes des termes elliptiques anisotropes, hétérogènes sur maillages généraux. Notre recherche s’est focalisée sur des méthodes volumes finis qui soient consistantes, stables sur maillages polyédriques généraux, robustes par rapport à l’anisotropie et l’hétérogénéité du tenseur de perméabilité, qui mènent à des systèmes linéaires bien conditionnés pour lesquels des stratégies de préconditionnement optimales peuvent être conçues et qui donnent un stencil compact pour réduire les communications dans les implémentations parallèles. Pour répondre à cette recherche, nous avons proposé plusieurs schémas tels que MPFA O généralisé, G scheme, CG method, VFSYM, DIOPTRE. Nous avons prouvé également que toutes ces méthodes convergent sous des hypothèses adéquates à la fois sur le tenseur de perméabilité et le maillage / One of the key ingredients for the numerical simulation of Darcy flow in heterogeneous porous media is the discretization of anisotropic heterogeneous elliptic terms. In the oil industry, the need to improve accuracy in near wellbore regions has prompted the use of general unstructured meshes and full permeability tensors. Our effort has therefore been devoted to find consistent and robust finite volume discretizations of anisotropic, heterogeneous elliptic terms on general meshes. Our research was focused on finite volume methods which are consistent and coercive on general polyhedral meshes as well as robust with respect to the anisotropy and heterogeneity of the permeability tensor ; yield well-conditioned linear systems for which optimal preconditioning strategies can be devised ; have a narrow stencil to reduce the communications in parallel implementations. To answer to this search, we have proposed several scemes such that generalized MPFA O, G scheme, CG method, VFSYM, DIOPTRE. We proved also the convergence of all these methods under suitable assumptions on both the permeability tensor and the mesh

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des recherches visant à caractériser les structures turbulentes dans les plasmas et le transport que celles-ci peuvent engendrer. En complément des mesures par sondes de Langmuir, utilisées pour étudier localement le transport généré par les instabilités, une caractérisation spatiale des structures turbulentes est réalisée dans une section droite de la colonne de plasma grâce à l'utilisation de l'imagerie rapide. L'intensité lumineuse a été reliée à la densité électronique du plasma par la comparaison avec des mesures de sondes et l'utilisation conjointe de filtres interférentiels. Des outils de traitement de données ont été adaptés aux spécificités de l'imagerie (filtrage, extraction de séries temporelles, vélocimétrie). Il a été montré qu'une détection des couplages non-linéaires entre modes est possible à partir des données de caméra. Des couplages simultanés à différents rayons ont ainsi pu être étudiés et leur intensité a pu être reliée à l'évolution temporelle des spectres grâce au calcul de bicohérence en ondelettes / This work is devoted to the caracterization of turbulent structures and the induced transport in a magnetized plasma column. Complementary to Langmuir probe measurements, used for local investigation of instability induced turbulent transport, an accurate spatial caracterization of structures is achieved using fast imaging of the plasma column's cross-section. The fluctuating light intensity has been linked to density fluctuations of plasma electrons by comparisons with probe measurements and the combined use of interference filters. Processing techniques have been adapted to image data (filtering, extraction of time series, velocimetry). It could be shown that detection of non-linear mode couplings is possible via fast imaging. Simultaneous couplings could be studied at different radii and using wavelet bicoherence, the temporal evolution of power spectra could be linked with the coupling intensities

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Des céramiques piézoélectriques sans-plomb de composition (CazBa1-z)(Ti1-x-wCoxNbw)O3- ont étésynthétisées e Li2O ou de Li2CO3des matériaux denses à une température de 1100 °C au lieu des 1300 °C usuellement requis pour fritter leBaTiO3.fonctionnelles : le coefficient piézoélectrique d33 et le coefficient de couplage kp atteignent respectivement255 pC/N et 43,5%. De plus, un recuit sous O2 des échantillons dopés au cobalt mène à un d33 = 265 pC/Net à un kp = 42,8%.En fonction de la nature des dopants, un caractère « doux » ou « dur » a été observé dans les céramiquespiézoélectriques. Le dopage par les ions Co/Li mène à un comportement « dur » et provoque desphénomènes de vieillissement. On observe ainsi pour un BT:Co,Li vieilli, un cycle P = f(E) àdouble boucle ou déformé pour des échantillons respectivement non-polarisés ou polarisés. Les cyclescours du temps. Ce champ inCes phénomènes particuliers sont dus à la formation de dipôle de défaut (MTi VO )x causée parin, les grandes valeurs ducoefficient de qualité mécanique (Qmsynthétisées vis-à-vis de fortes contraintes, mécanique ou électrique. Cela rend ces matériaux compétitifscomparés au PZT 4 pour des applications de type transduction acoustique. / (CazBa1-z)(Ti1-x-wCoxNbw)O3- lead-free piezoelectric ceramics were prepared using solid-state reaction. Theuse of a Li2O or Li2CO3 sintering aid enables one to obtain dense ceramics at a temperature of 1100 °Cinstead of the 1300°C used for BaTiO3 in conventional sintering. Insertion of Li/Ca/Co/Nb in the perovskitestructure improves functional properties: for micrograin-size ceramics, a piezoelectric charge constant andelectromechanical coupling factor of d33 = 255 pC/N and kp = 43,5% were reached, respectively.Furthermore, a thermal annealing of the cobalt doped sample under O2 atmosphere led to d33 = 265 pC/Nand kp = 42,8%.Soft/hard characteristics of the piezoelectric ceramics are observed depending on the dopant ions. The Co/Liacceptor dopants lead to hard piezoelectric ceramics and aging phenomena. The aged BT:Co,Li exhibitsdouble loops and a distorted hysteresis cycle for non-poled and poled ceramics, respectively. Distortedhysteresis loops for BT:Co,Li show an increased internal bias field with aging time. Insertion of donordopants such as niobium ions significantly reduces the internal field. These behaviors are related to thepresence of defect dipoles (MTi VO )x due to the insertion of acceptor dopants in the B sites following theoxygen vacancies to equilibrate charge compensation. The high mechanical quality factors (Qm > 1000)obtained for the doped BaTiO3 ceramics affords stability against mechanical stress and electrical stress of upto 400 VRMS/mm, which makes these materials competitive with PZT4 for acoustic transducer applications.

In this thesis, we study the transport of charged particles in mesoscopic systems where the long-range electrostatic interaction plays a key role. In particular, we focus on the statistical properties of currents which satisfy the relation known as fluctuation theorem. A stochastic approach is presented in consistency with the laws of electricity, thermodynamics, and microreversibility. In this approach, densities of charged particles are ruled by stochastic partial differential equations and the electric field generated by the charges is determined with the Poisson equation.We start by proposing a coarse-grained model to describe the long-time behavior of particle transport in nonequilibrium systems in contact with several reservoirs. In this model, the particle exchanges between the reservoirs can be determined after a long enough time by the first and second cumulants of the probability distribution of particle transfers, thus enabling the numerical evaluation of the driving forces. It is proved that, close to equilibrium, the coarse-grained model is applicable to any system in nonequilibrium steady state. Moreover, the studies with specific examples show that the range of application of the coarse-grained model can be extended to the regime arbitrarily far from equilibrium if the detailed transition rates have linear dependence on the local particle concentration. In addition, the finite-time fluctuation theorem is established for systems with linear rates.Then, we use our stochastic approach to study charge transport in diodes and transistors. The counting statistics of the carrier current and the measured total current including the contribution of the displacement current are performed. The fluctuation theorem is shown to hold for both currents. The convergence of the finite-time affinities towards their asymptotic values over long-time scales is tested using our proposed coarse-grained model. Accurate agreement between the numerical affinities and the theoretical predictions is found when affinities take moderate values. This brings further numerical support to the fluctuation theorem for the currents in these nonlinear electronic devices. For diodes, the current-voltage characteristics is obtained, which can be well fit by Shockley curve under the extreme condition where the concentration of majority charge carriers is overwhelmingly larger than that of minority charge carriers. For transistors, the signal amplifying effect is realized under their working conditions. Moreover, the Onsager reciprocal relations and their generalizations to nonlinear transport properties deduced from the fluctuation theorem are numerically shown to be satisfied.Finally, we proceed to investigate the charge transport in a system of three tunneling junctions coupled together through a conductive island or quantum dot. The cumulant generating function is obtained by numerically solving the eigenvalue problem regarding the modified evolution operator including the counting parameters. The symmetry relation implied by the fluctuation theorem is verified, and the Onsager reciprocal relations together with their generalizations are again shown to be satisfied. Furthermore, under certain conditions, the current-voltage characteristics shows the staircase pattern due to the Coulomb blockade effect. / Le transport de particules charg´ees est ´etudi´e dans les syst`emes m´esoscopiques o`u l’interaction ´electrostatique`a longue port´ee joue un rˆole central. En particulier, l’´etude porte sur les propri´et´es statistiques des courants quisatisfont la relation appel´ee th´eor`eme de fluctuations. Une approche stochastique est pr´esent´ee en accord avec leslois de l’´electricit´e, la thermodynamique et la micror´eversibilit´e. Dans cette approche, les densit´es des particlescharg´ees sont gouvern´ees par des ´equations stochastiques aux d´eriv´ees partielles et le champ ´electrique est d´etermin´epar l’´equation de Poisson. Tout d’abord, un mod`ele stochastique r´eduit est propos´e pour d´ecrire le transport departicules dans les syst`emes de non-´equilibre en contact avec plusieurs r´eservoirs. Dans ce mod`ele, les ´echanges departicules entre les r´eservoirs sont d´etermin´es aux temps longs en termes des premiers et seconds cumulants de ladistribution de probabilit´e des transferts de particules, ce qui permet l’´evaluation num´erique des forces d’entraˆınement.Il est prouv´e que, pr`es de l’´equilibre, ce mod`ele peut s’appliquer `a tout syst`eme dans un ´etat stationnaire de non-´equilibre. Par ailleurs, l’´etude d’exemples sp´ecifiques montre que le domaine d’application de ce mod`ele s’´etend `a desr´egimes arbitrairement loin de l’´equilibre si les taux de transition ont des d´ependances lin´eaires en la concentrationde particules. En plus, le th´eor`eme de fluctuations `a temps fini est ´etabli pour ces syst`emes avec des taux lin´eaires.Ensuite, l’approche stochastique est utilis´ee pour ´etudier le transport de charges dans les diodes et les transistors.La statistique de comptage est effectu´ee pour le courant des porteurs de charge et le courant total mesur´e incluantla contribution du courant de d´eplacement. Le th´eor`eme de fluctuations est d´emontr´e pour les deux courants. Laconvergence des affinit´es `a temps fini vers leur valeur asymptotique est test´ee en utilisant le mod`ele stochastiquer´eduit. Un accord est observ´e entre les affinit´es obtenues num´eriquement et les pr´edictions th´eoriques si les affinit´esprennent des valeurs mod´er´ees. Tous ces r´esultats apportent des v´erifications num´eriques du th´eor`eme de fluctuationsdes courants dans les circuits ´electroniques non-lin´eaires. Pour les diodes, la courbe caract´eristique courant-tension estobtenue et celle-ci peut ˆetre ajust´ee par la courbe de Shockley si la concentration des porteurs de charge majoritairesest beaucoup plus grande que celle des porteurs minoritaires. Pour les transistors, l’effet d’amplification du signal estmis en ´evidence dans les conditions de fonctionnement normal. De plus, il est montr´e num´eriquement que les relationsde r´eciprocit´e d’Onsager sont satisfaites, ainsi que certaines de leurs g´en´eralisations aux propri´et´es non-lin´eaires detransport d´eduites du th´eor`eme de fluctuations. Finalement, le transport de charges est ´etudi´e dans un syst`eme form´ede trois jonctions `a effet tunnel coupl´ees par un plot conducteur (quantique). La fonction g´en´eratrice des cumulantsest alors obtenue par r´esolution num´erique du probl`eme aux valeurs propres de l’op´erateur d’´evolution modifi´e pourinclure les param`etres de comptage. La relation de sym´etrie d´eduite du th´eor`eme de fluctuations est v´erifi´ee, ainsique les relations de r´eciprocit´e d’Onsager et leurs g´en´eralisations. Par ailleurs, sous certaines conditions, les courbescaract´eristiques courant-tension montrent une structure en marches d’escalier due `a l’effet de blocage coulombien. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La forte proportion des sources d'énergie intermittentes présente de nouveaux défis pour la stabilité et la fiabilité des réseaux électriques. Dans ce travail nous considérons la connexion de ces sources avec et un système de stockage hybride via un MicroGrid à courant continu (DC) afin de satisfaire les contraintes de connexion au réseau (les Grid-Codes). L'objectif principal ici est de concevoir un système pouvant répondre à ces exigences et nous permettant d'obtenir un comportement Plug and Play; cette approche est basée sur la "philosophie System of Systems ". utilisant des méthodologies de contrôle distribué.Cette thèse constitue une contribution au contrôle DC MicroGrid et introduit une analyse rigoureuse de la dynamique du system. La stabilisation du système repose sur des dispositifs de stockage: les batteries pour l'équilibre énergétique et la réponse à long terme des variations des flux d'énergie tandis que les supercondensateurs traitent l'équilibre des puissances et des variations rapide du system.Nous présenterons d’abord l’analyse du MicroGrid DC dont le contrôle est conçu à partir des modèles détaillés des sources d’énergie et des systèmes de stockage. Ce réseau peut présenter un comportement instable créé par intermittence de la source, les commutation des convertisseurs et leurs électroniques puissance et les courants oscillatoires produits par certains types de charges. Par conséquent, le système est sujet à des variations rapides et lentes. . La stabilisation de tels systèmes reposera sur le fonctionnement de différentes technologies de stockage, telles que la batterie et les supercondensateurs, qui opèrent dans différentes échelles de temps.Nous proposons un schéma de contrôle hiérarchique, basé sur la théorie du contrôle non linéaire, en particulier de Lyapunov, le backstraping et d’entrée / sortie de feedback linéarisation. Le DC MicroGrid proposé et son contrôle sont vérifiés à la fois par simulations et par expérimentation Les résultats montrent la bonne performance du système sous des variations de production et de consommation. / The large penetration intermittent energy sources, presents a new challenges to power systems' stability and reliability; we consider in this work their connection through a Direct Current (DC) MicroGrid and a hybrid storage system, in order to satisfy constraints of connection to the network (the so-called Grid-Codes). The main objective here is to design a system that can fulfil these requirements and allow us to attain a Plug and Play behaviour; this approach is based on the “System of Systems philosophy'' using distributed control methodologies.This thesis constitutes a contribution for DC MicroGrid control and introduces a rigorous dynamics' analysis.. The stabilization of the system is based on storage devices: batteries for energy balance and long term response of power flow, while supercapacitors deal with power balance and fast response.First it will be presented the analysis of the DC MicroGrid which control is designed based on detailed models of energy sources and storage systems. This grid may present an unstable behaviour created by the source’s intermittent output power, switching ripples from the power converters and their power electronic and oscillatory currents produced by some types of loads. Therefore the system is subject to both fast and slow variations. The stabilization of such systems will be based on the operation of different technologies of storage, such as battery and supercapacitor, in different time scales.We propose a hierarchical control scheme, based on nonlinear control theory, in particular Lyapunov, backstepping and input/output feedback linearization. The proposed DC MicroGrid and its control are then verified both by computer simulations and by experiments. The results show the good performance of the system under variations on production and on consumption

La programmation linéaire permet d’effectuer l’optimisation de la gestion des réseaux de création de valeur. Dans la pratique, la taille de ces problèmes demande l’utilisation d’un ordinateur pour effectuer les calculs nécessaires, et l’algorithme du simplexe, entre autres, permet d’accomplir cette tâche. Ces solutions sont cependant construites sur des modèles approximatifs et l’humain est généralement méfiant envers les solutions sorties de « boîtes noires ». Les systèmes à initiative partagée permettent une synergie entre, d’une part, l’intuition et l’expérience d’un décideur humain et, d’autre part, la puissance de calcul de l’ordinateur. Des travaux précédents au sein du FORAC ont permis l’application de cette approche à la planification tactique des opérations des réseaux de création de valeur. L’approche permettrait l’obtention de solutions mieux acceptées. Elle a cependant une interface utilisateur limitée et contraint les solutions obtenues à un sous-espace de l’ensemble des solutions strictement optimales. Dans le cadre de ce mémoire, les principes de conception d’interface humain-machine sont appliqués pour concevoir une interface graphique plus adaptée à l’utilisateur type du système. Une interface basée sur le modèle de présentation de données de l’outil Logilab, à laquelle sont intégrées les interactivités proposées par Hamel et al. est présentée. Ensuite, afin de permettre à l’expérience et à l’intuition du décideur humain de compenser les approximations faites lors de la modélisation du réseau de création de valeur sous forme de problème linéaire, une tolérance quant à l’optimalité des solutions est introduite pour la recherche interactive de solutions alternatives. On trouvera un nouvel algorithme d’indexation des solutions à combiner et une nouvelle heuristique de combinaison convexe pour permettre cette flexibilité. Afin d‘augmenter la couverture de l’espace solutions accessible au décideur humain, un algorithme de recherche interactive de solution basé sur le simplexe est introduit. Cet algorithme présente une stabilité similaire à la méthode de Hamel et al., mais ses performances en temps de calcul sont trop basses pour offrir une interactivité en temps réel sur de vrais cas industriels avec les ordinateurs présentement disponibles.Une seconde approche d’indexation complète de l’espace solutions est proposée afin de réduire les temps de calcul. Les nouveaux algorithmes « Linear Redundancyless Recursive Research » (Recherche linéaire récursive sans redondance, LRRR) pour la cartographie et l’indexation de l’espace solutions et « N-Dimension Navigation Direction » (direction de navigation à n-dimensions, NDND) pour l’exploration interactive de celui-ci sont présentés. Ces algorithmes sont justes et rapides, mais ont cependant un coût mémoire au-delà de la capacité des ordinateurs contemporains. Finalement, d’autres pistes d’exploration sont présentées, notamment l’exploitation des méthodes du point intérieur et de l’algorithme de Karmarkar ainsi qu’une ébauche d’approche géométrique.

De nombreuses applications de classification binaire, telles que la prédiction de fraude et la prédiction de rétention, impliquent des ensembles de données déséquilibrées. Bien que les méthodes d'ensemble soient les mieux adaptées à ces contraintes, les règles de décision produites sont difficiles à interpréter en tant que groupe en raison de leur nombre et de leurs redondances sous-jacentes. Il est donc intéressant de simplifier les méthodes d'ensemble apprises en un petit ensemble équivalent de conditions sans sacrifier la performance à la simplicité. En interprétant simplement un arbre de décision comme un empilement de fonctions indicatrices binaires et un modèle linéaire, nous proposons une méthode qui apprend le sous-ensemble efficace d'indicateurs qui relie les données à un espace de représentation de faible dimension où elles deviennent linéairement séparables. Ces fonctions binaires permettent à un large éventail d'algorithmes d'apprentissage automatique simples d'être efficaces et sont également plus faciles à analyser, à étudier ou à valider par les experts du domaine que les branches initiales de l'arbre dans l'ensemble appris. / Many binary classification applications, such as churn prediction and fraud detection, involve unbalanced large datasets. While ensemble trees are the most suited algorithms given these constraints, the decision rules produced are hard to interpret as a group due to their number and their underlying redundancies. It is then of interest to simplify the learned ensemble trees into a small equivalent set of conditions without trading performance for simplicity. By simply interpreting a decision tree as a stack of binary indicator functions and a linear model, we propose a method that learns the effective subset of indicators that map the data to a low dimension feature space where it becomes linearly separable. These binary functions enable a wide range of simple machine learning algorithms to be efficient and are also easier to analyze, investigate or validate by domain experts than the initial tree branches in the learned ensemble.

La première théorie de vagues a été proposée par Sir George Biddell Airy en 1845. Elle est, aujourd'hui encore, la théorie de vagues la plus utilisée. TI y a ensuite eu plusieurs théories de vagues, mais dû à la complexité des formulations, elles ont été placées au deuxième plan, par rapport aux applications pratiques. Plusieurs paramètres de vagues, ainsi que différents phénomènes d'intérêt, sont encore étudiés à partir de la théorie linéaire d'Airy, même si on sait que cette théorie n'est pas valide pour toutes les conditions qui vont se présenter aux ingénieurs, dans la pratique, surtout quand le fond joue un rôle transformateur sur le profil de la vague. Dans le présent travail sont étudiées la théorie linéaire d'Airy (1845), la théorie de Stokes (1847) du deuxième ordre, la théorie de Stokes du troisième ordre proposée par Skjelbreia (1958), les théories de Stokes du cinquième ordr~ proposées par Isobe, Nishinuura et Horikawa (1978) et celle proposée par Fenton (1985), les théories d'onde cnoïdale du premier ordre proposées par Masch et Wiegel (1961) et par Svendsen (2006), la théorie d'onde cnoïdale du troisième ordre proposée par Isobe, Nishimura et Horikawa (1978) et les théories d'onde solitaire du premier ordre proposées par Masch et Wiegel (1961) et Svendsen (2006). Pour chaque théorie de vague étudiée sont analysés la longueur d'onde, la célérité de la vague, le nombre d'Ursell, la distance entre le fond et le creux de la vague, l'énergie moyenne de la vague, la puissance de la vague, les transports de masse lagrangien et eulérien, la variation du niveau d'eau moyen, la contrainte de radiation principale et la contrainte de radiation perpendiculaire. Dans le présent travail sont présentées les différentes formulations de chaque théorie étudiée, ainsi que des graphiques et tableaux pour montr~r le comportement des différents paramètres de vagues. Comme résultat du présent travail, un outil Excel est fourni, qui permettra de connaître le comportement des différents paramètres de vagues, inconnus pour l'instant pour les théories de vagues les plus utilisées.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Les fantômes d'eau sont des outils essentiels pour assurer l'étalonnage précis des machines de radiothérapie et des traitements efficaces en utilisant l'eau comme moyen de simulation des tissus humains. Dans ce mémoire, nous présentons toutes les étapes de la synthèse, de la création d'un prototype et du contrôle d'un nouveau fantôme d'eau automatisé basé sur un robot parallèle à câbles de 5 degrés de liberté. Ce système pourrait offrir plusieurs avantages par rapport aux fantômes d'eau existants, notamment un mouvement plus rapide et la capacité d'effectuer des mesures angulaires grâce à sa plage de rotation continue de 90 degrés. Notre approche a commencé par l'identification de l'architecture la plus appropriée pour le robot, impliquant le calcul de l'espace des torseurs faisables en force pour toutes les configurations 5-DDL avec 8 câbles, en fonction de nos points d'attache de câbles prédéfinis. Un algorithme d'élagage a été développé pour éliminer rapidement les architectures qui ne couvraient pas la plage de rotations souhaitée, facilitant ainsi l'identification de l'architecture optimale. De plus, nous avons conçu une méthode pour calculer un espace de travail rotationnel sans interférence pour notre conception choisie. En termes de contrôle, nous avons détaillé le schéma de contrôle, la planification de la trajectoire, le problème géométrique direct et les matrices Jacobiennes pour notre robot parallèle à câbles de 5-DDL. En outre, nous avons résolu le défi de la singularité de représentation rencontré dans notre projet, en adoptant une représentation vectorielle unitaire pour l'orientation. Le processus de conception du robot a été méticuleusement décrit, y compris la justification de la sélection des composants. Nous avons divisé le prototype global en trois sections principales: la structure, les systèmes de treuil et les poulies pivotantes, en fournissant des informations détaillées sur chacune. Le processus de calibrage du robot a également été discuté, ainsi que les défis rencontrés. Enfin, nous avons mené un test sous une machine de radiothérapie, cartographiant le rayonnement avec le capteur d'ionisation connecté à l'effecteur final. Bien que nous ayons compté uniquement sur l'encodeur du moteur pour la rétroaction de position et que cette méthode manque de la précision nécessaire pour cette application, les résultats étaient très prometteurs. Notre conception innovante de fantôme d'eau démontre le potentiel comme nouvelle méthode efficace et précise pour l'étalonnage des machines de radiothérapie, avec la capacité d'améliorer considérablement les résultats pour les patients dans la pratique clinique. / Water phantoms are critical tools for ensuring the accurate calibration of radiotherapy machines and effective treatments by using water as a medium for simulating human tissue. In this memoir, we present all the steps of synthesizing, prototyping and controlling a novel automated water phantom based on a 5-degree-of-freedom cable-driven parallel robot. The system could offer several advantages over existing water phantoms, including faster movement and the ability to perform angular measurements due to its 90-degree continuous range of rotation. Our approach began with identifying the most suitable architecture for the robot, involving the calculation of the wrench-feasible workspace for all the 5-DoF configurations with 8 cables, based on our predetermined cable attachment points. A pruning algorithm was developed to rapidly eliminate architectures that failed to cover the desired range of rotations, thereby facilitating the easier identification of the optimal architecture. Furthermore, we devised a method to calculate an interference-free rotational workspace for our chosen design. In terms of control, we detailed the control schematic, trajectory planning, forward kinematics, and Jacobian matrices for our 5-DoF CDPR. Furthermore, we addressed the challenge of representation singularity encountered in our project, resolving it by adopting a unit vector representation for orientation. The design process of the robot was meticulously outlined, including the rationale behind component selection. We divided the overall prototype into three main sections: the structure, winch systems, and swivel pulleys, providing detailed insights into each. The calibration process of the robot was also discussed, along with the challenges encountered. Finally, we conducted a test under a radiotherapy machine, mapping radiation with the ionization sensor connected to the end-effector. Although we relied solely on the motor's encoder for position feedback, which lacks the precision needed for this application, the results were very promising. Our innovative water phantom design demonstrates potential as a new, efficient, and precise method for calibrating radiotherapy machines, with the capability to significantly improve patient outcomes in clinical practice.