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Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur deux sujets distincts. Le premier concerne la réponse d'un diélectrique cristallin à un champ électrique uniforme ; il s'ancre sur la théorie moderne de la polarisation développée par King-Smith, Vanderbilt et Resta. En nous restreignant d'abord au cas unidimensionnel, nous décrivons de manière perturbative à faible champ électrique le spectre de Wannier-Stark d'un modèle de bande. Nous utilisons ensuite ce développement dans une approche thermodynamique que nous modifions pour palier aux problèmes posés par le caractère non-borné du spectre de Wannier-Stark : nous introduisons en particulier un potentiel chimique local assurant la neutralité électrique locale au sein du cristal. Cette approche permet d'accéder à la polarisation et à la susceptibilité électrique des cristaux diélectriques. Finalement, nous étendons le travail effectué au cas bidimensionnel où de nouvelles caractéristiques associé aux isolants topologiques apparaissent.Le deuxième sujet porte sur la synchronisation de spin dans les gaz d'atomes froids. Nous étudions la compétition entre le mécanisme d'écho de spin et le phénomène d'auto-synchronisation lié à l'effet de rotation des spins identiques (emph{ISRE}). La méthode de l'écho de spin permet de compenser certains déphasage apparaissant dans une gaz d'atomes ultra-froid piégé, et accroît ainsi le temps de cohérence de l'ensemble. L'emph{ISRE} apparaît dans les gaz denses via les collisions entre atomes et conduit également à un accroissement du temps de cohérence. Nous montrons que ces deux mécanismes ne sont pas systématiquement compatibles. En particulier, leur compatibilité est lié à la relation entre les échelles de temps propres à chacun des phénomènes. / The work exposed in this manuscript covers two distinct topics. The first is about the response of crystalline dielectrics to an external static electric field; it is based on King-Smith, Vanderbilt and Resta modern theory of polarisation. Restricting ourselves to the 1D case, we first describe the Wannier-Stark ladder of a band model with a low-field perturbative approach. We then use this development to derive the thermodynamical response of the band model. We have to modify the usual thermodynamics to account for the unboundedness of the Wannier-Stark spectrum, through the introduction of a local chemical potentiel which ensures local electric neutrality in the crystal. In a last step, we extend our approch to the 2D cas, where new characteristics related to the topic of topological insulators appear.The second topic tackles synchronization and spin-echo in cold atom gases. We study the competition between the spin-echo mechanism and the self-synchronization mechanism which emerges from the identical spin rotation effet (emph{ISRE}). The spin-echo thechnique was built to compensate for some the of dephasing that appears in trapped ultra-cold gases, leading to an increased coherence time for the ensemble. The emph{ISRE} appears in dense atomic clouds where collisions also lead to an increased coherence time. We show that these two mechanism are not always compatible, in particular, their compatibility is based on the relation between the time scales associated to both phenomena.

Des technologies avancées sont très demandées dans l'industrie automobile pour respecter les réglementations de consommation de carburant de plus en plus rigoureuses. La co-optimisation du dimensionnement et du contrôle des groupes motopropulseurs avec une efficacité de calcul améliorée est étudiée dans cette thèse.Les composants des groupes motopropulseurs, tels que le moteur, la batterie et le moteur électrique, sont modélisés analytiquement au niveau descriptif et prédictif afin de permettre une optimisation du contrôle rapide et une optimisation du dimensionnement scalable. La consommation d'énergie minimale des véhicules hybrides-électriques est évaluée par des nouvelles méthodes optimales. Ces méthodes – y compris Selective Hamiltonian Minimization et GRaphical-Analysis-Based energy Consumption Optimization – permettent d'évaluer une consommation minimale d'énergie avec une efficacité de calcul améliorée. De plus, la méthode de Fully-Analytic energy Consumption Evaluation (FACE) approxime la consommation d'énergie minimale sous forme analytique en fonction des caractéristiques de la mission et des paramètres de conception des composants du groupe motopropulseur. Plusieurs cas d’études sont présentées en détail par rapport aux approches de co-optimisation à bi-niveaux et à uni-niveau, ce qui montre une réduction efficace du temps de calcul requis par le processus global de co-optimisation. / Advanced technologies are highly demanded in automotive industry to meet the more and more stringent regulations of fuel consumption. Cooptimization of design and control for vehicle propulsion systems with an enhanced computational efficiency is investigated in this thesis.Powertrain components, such as internal combustion engines, batteries, and electric motor/generators, are analytically modeled at descriptive and predictive level correspondingly for the development of fastrunning control optimization and for the scalability of design optimization. The minimal fuel consumption of a hybrid-electric vehicle is evaluated through novel optimization methods. These methods – including the Selective Hamiltonian Minimization, and the GRaphical-Analysis-Based energy Consumption Optimization – are able to evaluate the minimal energy consumption with the enhanced computational efficiency. In addition, the Fully-Analytic energy Consumption Evaluation method approximates the minimal energy consumption in closed form as a function of the mission characteristics and the design parameters of powertrain components.A few case studies are presented in details via the bi-level and uni-level co-optimization approaches, showing an effective improvement in the computational efficiency for the overall co-optimization process.

Résumé : Le vieillissement des ouvrages en béton est une préoccupation majeure affectant la pérennité et l’efficacité des structures. Le maître d’ouvrage se doit de maintenir les fonctions d’usage de la structure tout en gardant une gestion économique efficace. L’objectif final de ces travaux de recherche est, donc de pouvoir renseigner sur l’état global de fissuration de la structure afin d’aider le maître d’ouvrage à respecter ses engagements. Dans cette optique, cette thèse développe une nouvelle technique aidant à la quantification de l’état des ouvrages massifs en béton. Elle s’appuie, pour cela, sur la méthode non-destructive de résistivité électrique en surface, connue pour sa sensibilité face à des facteurs révélateurs d’une altération. Toutefois, à cause de sa dépendance entre la profondeur d’investigation et la résolution, la méthode ne peut pas garantir de l’état global d’un ouvrage. De ce fait, il a été décidé d’utiliser la résistivité électrique via des forages préexistants dans la structure (diagraphie électrique). L’outil utilisé est une sonde en dispositif normal réservée jusqu’à présent pour la prospection pétrolière et hydrogéologique. En plus d’une prospection en profondeur via le forage, cette sonde peut acquérir des informations sur un rayon de 3.2m autour du forage. Cependant, à mesure que le volume de béton sondé augmente, la résolution décroit. La difficulté est donc de pouvoir exploiter les capacités de prospection de la sonde tout en sachant que la résolution faillit. Il s’agit de contourner le problème en maîtrisant les concepts de la diagraphie et son nouveau milieu d’application. Cette thèse est basée sur une première approche numérique permettant d’apporter des corrections sur les données de terrain et de déterminer la sensibilité de l’outil face à de l’endommagement d’ouverture plurimillimétrique à centimétrique. Ceci est validé par des mesures réalisées sur une écluse de la Voie Maritime du Saint-Laurent. Une étude numérique de la réponse de l’outil en fonction des paramètres de fissure tels que l’ouverture, le contraste entre la résistivité de la discontinuité et du béton, et l’extension est réalisée. Elle permet de construire une base de données afin de développer une méthode pour la caractérisation de l’endommagement. Cette méthode s’appuie sur ces réponses diagraphiques pour retrouver les paramètres de fissure recherchés (problème inverse). Nous procédons tout d’abord par une analyse préliminaire se basant sur un croisement des informations apportées par les différentes électrodes de la sonde puis nous optimisons les résultats par la méthode de recuit simulé. La méthode, ainsi développée est ensuite appliquée à un deuxième ouvrage pour en déterminer l’état interne. Ces travaux détectent plusieurs zones endommagées et caractérisent l’une d’elles par une ouverture centimétrique et une extension comprise entre 1.6m et 3.2m. Ces travaux prometteurs, attestent d’un premier diagnostic interne des ouvrages massifs en béton, un enjeu qui restait sans réponses satisfaisantes jusqu’à maintenant. // Abstract : The aging of concrete structures is a major problem affecting their sustainability and their efficiency. The owner must maintain the structure serviceability and provide cost-effective management. The goal of this work is to provide detailed information about the state of cracking inside the structure in order to assist the owner to meet its commitments. In this context, this thesis develops a new technology to assess the condition of mass concrete structures. It relies on a non-destructive method based on electrical resistivity measured from surface, known for its sensitivity to factors associated with concrete deterioration. However, because of its dependence between the investigation depth and the resolution, the method cannot assess the overall state of a structure. Therefore, it was decided to use the electrical resistivity through preexisting boreholes in the structure (electrical logging). The tool used is a normal probe, which has been traditionally used for oil and hydrogeological exploration. In addition to the investigation in depth via boreholes, this probe can get information over a radius of 3.2m around the borehole. However, as the probing volume of concrete increases, the resolution decreases. Difficulty is to use the exploration abilities of the tool, knowing that the resolution is limited. This is to get around the problem by mastering logging concepts and its new application environment. This thesis is based on a first numerical approach to make corrections on field data and to determine the tool sensitivity with regard to the multi-millimeter and centimeter crack size damage. This was validated with measurements made on a full-size lock located on the St. Lawrence Seaway. A numerical study of the tool response versus the discontinuities parameters such as the crack aperture, the resistivity contrast between the discontinuity and the concrete, and the extension was done. It allowed building a database used to develop a method for the characterization of the damage. This method is based on the tool responses to find the crack parameters (inverse problem). First, we proceed with a preliminary analysis based on a cross of information provided by the different electrodes of the probe then we optimize the results by the method of simulated annealing. The characterization method is applied to another structure to quantify its internal state. These studies detect several damaged areas and characterize one of them by a centimeter aperture and an extension between 1.6m and 3.2m. This work attest to a first internal diagnosis of massive concrete structures, an issue that remained without satisfactory answers so far.

Les recherches sur la fusion thermonucléaire par confinement magnétique visent à l'obtention de plasmas chauffés majoritairement par les réactions de fusion entre les ions Deuterium et Tritium. Cette thèse se place dans la problématique générale de l'étude du transport turbulent, qui limite les performances d'un tokamak. Le champ électrique radial (dirigé vers l'intérieur ou l'extérieur du plasma, de géométrie torique) peut être à l'origine de barrières de transport lorsque son cisaillement devient suffisamment important pour causer une décorrélation des structures tourbillonnaires. Lors de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes à l'origine de la génération spontanée du champ électrique radial à l'intérieur de la dernière surface magnétique fermée. Sur le tokamak Tore Supra, un diagnostic de réflectométrie Doppler permet une mesure quasi-directe de la vitesse de dérive électrique associée au champ électrique radial. L'influence du ripple, ondulation de l'intensité du champ magnétique dans la direction toroïdale dûe au nombre fini de bobines, est examinée par la comparaison des mesures avec les prédictions de plusieurs modèles, associés à différents régimes de diffusion (ripple-plateau, piégeage local). Nous étudions ensuite plus en détail un cas expérimental où le champ électrique radial, usuellement négatif à l'intérieur du plasma, devient localement positif, ce qui suggère la présence de mécanismes alternatifs non-ambipolaires. Le rôle possible de l'activité MHD et des ilots magnétiques est discuté à partir des mesures effectuées.

La fiabilité de fourniture est une caractéristique essentielle des systèmes électriques : elle évalue leur capacité à se prémunir d'incidents d'exploitation et repose sur leurs réserves dynamiques, caractérisées par le plan de tension et la fréquence et dont les temps caractéristiques varient entre quelques millisecondes et quelques heures. Or, les exercices de prospective long terme, s'intéressant à l'évolution des systèmes énergétiques sur plusieurs décennies, ne permettent pas d'apprécier cette fiabilité de fourniture et les systèmes électriques proposés sur l'horizon prospectif peuvent alors de ne plus la garantir. Ceci d'autant plus que l'intégration massive d'énergies renouvelables pourrait se faire au détriment de la fiabilité, du fait de la complexité induite par la gestion de l'intermittence. L'enjeu de notre étude est de rendre compatible l'évaluation de la fiabilité avec la dynamique temporelle associée aux exercices prospectifs de long terme. Nous proposons une représentation agrégée des systèmes électriques élaborée à travers une description thermodynamique de l'électromagnétisme. Cette approche nous permet d'établir deux indicateurs de fiabilité relatifs aux réserves dynamiques du système électrique et donc de quantifier de façon originale le niveau de fiabilité d'un système électrique en fonction du mix de production qui lui est associé. L'intérêt des indicateurs est démontré pour l'île de La Réunion où l'étude de la fiabilité du système électrique est réalisée sur les résultats issus de l'exercice de prospective long terme avec le modèle TIMES. Ce cas d'étude illustre particulièrement bien notre problématique puisque les acteurs publics de l'île se sont fixé pour objectif un mix de la production d'électricité en 2030 issu de 100% d'énergies renouvelables. L'analyse de ce scénario, et de quelques variantes, montre que les niveaux des réserves dynamiques diminuent avec l'intégration massive d'énergies renouvelables et qu'ils sont particulièrement préoccupants pendant la journée, lorsque la production intermittente est importante. On illustre ainsi comment, grâce à la mise en œuvre de nos indicateurs, il est désormais possible de discuter les conditions dans lesquelles la fiabilité continuerait à être assurée et à quel niveau, ce qui permet d'arbitrer entre l'ambition de décarbonation du mix électrique et la qualité de fourniture attendue.

Les recherches présentées dans ce manuscrit ont comme objet d'étude la conception, et plus particulièrement la conception en ingénierie électrique. Cette activité de recherche a connu un essor important ces dernières décennies. Elle s'est traduite par un développement scientifique de Méthodes et d'Outils logiciels : typiquement les outils d'optimisation automatique ou les systèmes experts. La première partie du manuscrit présente des travaux qui s'inscrivent directement dans cette tradition. Il s'agit plus particulièrement de travaux autour de Méthodes et d'Outils pour instrumenter les phases de dimensionnement et d'études de faisabilité de composants et de systèmes d'ingénierie. Les Savoirs utiles pour ces phases sont des modèles multi-physiques de type analytique ou semi analytique, dont des exemples sont des schémas électriques équivalents. C'est pourquoi ont été développées, autour de ces types de savoir : - des méthodes de programmation automatique, - des méthodes de dérivation formelle pour des couplages avec des algorithmes d'optimisation - différentes générations de plates-formes logicielles dont la dernière intitulée CADES, qui en plus d'être un outil de capitalisation des méthodes précédentes, explore un paradigme nouveau d'architecture logicielle : le framework basé sur le concept de composant logiciel. Ce paradigme offre des propriétés d'inter-opérabilité et de modularité. Il peut ainsi apporter une solution aux problématiques de conception multi-physiques, multi-niveaux de modélisation, et de passage du composant au système. La deuxième partie du manuscrit présente cependant la thèse d'une crise, d'une approche de la conception, comme elle serait trop souvent abordée scientifiquement en ingénierie, à savoir une discipline de physique appliquée ne s'intéressant qu'aux Objets, Savoirs, Méthodes et Outils, et visant un idéal de rationalisation et d'automatisation. Il est montré que d'autres conceptions de la conception sont possibles. Elles se placent dans un cadre épistémologique avec des hypothèses qui font de la conception une activité complexe ne pouvant émerger que dans des systèmes intégrant les concepteurs/modélisateurs. Ces derniers y sont porteurs de ressources comme l'intuition, la maturation, les connaissances tacites, ... Cette argumentation servira de base pour montrer la nécessité de s'intéresser, aussi !!! , à des objets d'études que sont d'une part les Connaissances/Compétences portées par les concepteurs et d'autre part les Systèmes/Organisations permettant de les coordonner. Ceci permettra de légitimer les fondements de travaux passés, en cours (des plates-formes Internet de travail collaboratif autour des méthodes et outils, pour la capitalisation et l'échange de modèles, ...) et à venir (conception innovante, conception par l'usage, ...) Ces recherches sont ainsi une contribution à des questions scientifiques du type : - Comment caractériser la nature de la conception : quelles sont des conceptions possibles de la conception ? - La conception est-elle à terme entièrement rationalisable et automatisable, ou cette perspective est-elle un rêve naïf voire dangereux ? - Quelles approches de la conception développer, et à quels objets d'études faut-il s'intéresser pour développer une science de la conception dans un domaine tel que l'ingénierie électrique, amené à concevoir et à innover dans des applications clefs tels que la production, la distribution et la gestion de l'énergie, le bio-médical, ...

Ce travail s'inscrit dans l'analyse économique des architectures de marché électrique. Il s'appuie sur un cadre d'analyse modulaire permettant de séparer les problèmes du market design en modules distincts. Il se concentre sur le design du temps réel ayant un rôle clé pour l'électricité. Un modèle d'équilibre à deux étapes a permis d'analyser les deux variantes de design du temps réel : le marché et le mécanisme (utilisant de pénalités). Les simulations numériques ont montré que le design du temps réel n'est pas neutre vis-à-vis de la séquence des marchés d'énergie et de la dynamique concurrentielle. Les designs s'écartant du « marché » provoquent des distorsions, des inefficacités et peuvent créer des barrières à l'entrée. L'ampleur des distorsions est déterminée par la fermeture des marchés forward (gate closure). Cette modélisation a permis aussi de montrer le rôle fondamental de l'intégration entre deux zones en temps réel et l'importance d'une harmonisation adéquate des designs.

L'influence d'un système hydrothermal au sein d'un édifice volcanique est un concept encore peu étudiée au regard de son importance pour la stabilité d'un volcan. Ce travail s'intéresse à la relation entre système hydrothermal et tectonique à travers l'étude des déformations engendrées dans un cône volcanique par le fluage de roches affectées par l'altération hydrothermale. La présence de ces argiles, ductiles à l'échelle de temps considérée, modifie profondément le comportement d'un édifice volcanique au cours de son évolution, pouvant conduire à la formation de grandes structures d'effondrement de type caldera. La confrontation de modèles analogiques avec la géologie et les données géophysiques nous permet de contraindre dans ce sens l'interprétation des structures d'effondrement observées par exemple sur Nuku Hiva (Polynésie française) et sur le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion). La modélisation analogique montre également que la formation du plancher plat d'une caldera peut être le résultat d'un processus syneffondrement, ne nécessitant pas de resurfaçage postérieur par érosion ou mise en place de nouveaux produits éruptifs. Les expériences nous permettent d'identifier la pente du cône et la diminution des contraintes latérales sur l'édifice comme les paramètres prépondérants à l'origine de la déformation. Les variations de ces paramètres sont déterminantes pour la morphologie de la caldera.

Le réseau électrique s'utilise aujourd'hui comme support de transmission des signaux Ethernet. C'est le concept des courants porteurs en ligne. Cette technique de transmission permet d'obtenir des débits supérieurs au Wifi. Cependant, la complexité des réseaux électriques et l'environnement électromagnétique domestique peuvent dégrader les performances de cette technologie. L'environnement électrique de l'habitat avec ses appareils électroménagers divers en font un milieu difficilement maitrisable. L'objectif est d'appréhender et de modéliser cet environnement et le comportement des équipements qui y sont déployés. Pour cela, ce mémoire présente plusieurs méthodes pour modéliser les lignes électriques dans l'habitat. Les modélisations existantes sont difficilement généralisables à un réseau électrique quelconque. Nous proposons une modélisation de type circuit électrique. Son intérêt réside dans la simplicité de l'outil de simulation d'un réseau électrique, réalisé par la mise en cascade de plusieurs blocs intégrés à la librairie SPICE. Les blocs SPICE proposés prennent en compte la dépendance fréquentielle des paramètres des quadripôles. Une étape de caractérisation expérimentale est développée pour implémenter ces blocs. Un réseau expérimental de test, constitué de différentes technologies de câble, a été caractérisé en termes de bruit, d'impédance et de pertes d'insertion. Le rayonnement émis lors d'une transmission CPL a aussi été mesuré.