Avec l'épuisement des ressources naturelles, notamment les sources d’énergies fossiles, les énergies renouvelables sont à nouveau considérées comme une alternative réelle pour la transition énergétique des pays industrialisés.Les moteurs à apport de chaleur externe comme le Stirling et son « cousin » le moteur Ericsson peuvent valoriser de multiples sources -renouvelables ou non- d'énergie thermique. Le moteur Ericsson est ainsi particulièrement bien adapté pour la conversion de l’énergie solaire ou de la biomasse en électricité dans des applications de microcogénération.Cette thèse s’inscrit dans la continuation des travaux théoriques et expérimentaux sur le moteur Ericsson réalisés au LaTEP de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés auxtransferts thermiques entre le fluide de travail et les parois des cylindres de compression et de détente du moteur. Un premier modèle, global, a permis de déterminer dans quelles conditions ces transferts thermiques peuvent améliorer les performances du système énergétique considéré. Un second modèle, ‘intracycle’, a permis d’évaluer les transfertsthermiques instantanés dans les cylindres à partir des corrélations habituellement utilisées dans les moteurs à combustion interne. Le prototype de moteur Ericsson a alors été équipé de différents capteurs de pression et de températures, ces derniers étant constitués de micro-thermocouples. Les relevés de température instantanée dans lecylindre de compression sont présentés commentés et comparés aux résultats obtenus par le modèle « intracycle ». / With exhaustion of natural resources, in particular the fossil energy sources, renewable energies are again regarded as a real alternative for the needed energy transition of the industrialized countries. The "hot air engines" like the Stirling engine and his “cousin” the Ericsson engine, can use multiple thermal sources - renewable or not -. The Ericsson engine is thus particularly well adapted for solar or biomass energy conversion in electricity or for microcogeneration purposes. This thesis is a continuation of the theoretical and experimental work on the Ericsson engine realized in the LaTEP of theUniversity of Pau (France). In this work, we are mainly interested in the - in-cylinder - heat transfer between the working gas and the walls of the compression and expansion cylinders of the Ericsson engine. A first original model made possible to determine under which conditions these heat transfers can improve the performances of the energy system considered. A second model, “intracycle”, allowed to evaluate the instantaneous heat transfers in the cylinders starting from the correlations usually used in the internal combustion engines, reciprocating compressors and pneumatic springs. The Ericsson prototype was then equipped with various pressure and temperature gauges, the latter consisting of K-type microthermocouples of 25 and 12,5μm wires. The results of instantaneous temperature measurements in the compression cylinder are presented, commented and compared with the results obtained by the “intracycle” model.

Today there is a great need for communication between people and even between things, using systems onboard e.g. aircraft, cars, ships and satellites. As a consequence, these communications needs require antennas mounted on or integrated in the surfaces of different vehicles or platforms, i.e. conformal antennas. In order to ensure proper operation of the communication systems it is important to be able to determine the characteristics of these antennas. This thesis is about the analysis and design of conformal antennas using high frequency asymptotic methods. Commonly used eigenfunction solutions or numerical methods such as FDTD, FEM or MoM are difficult to use for arbitrarily shaped electrically large surfaces. However, the high frequency approximation approach together with an accurate ray tracing procedure offers a convenient solution for these surfaces. The geodesics (ray paths) on the surfaces are key parameters in the analysis and they are discussed in detail. In the first part of the thesis singly and doubly curved perfectly electrical conducting (PEC) surfaces are studied, with respect to the mutual coupling among aperture type elements. A synthesis problem is also considered where the effect of the mutual coupling is taken into account. As expected, the mutual coupling must be included in the synthesis procedure to be able to realize the prescribed pattern, especially in the shaped main lobe. Furthermore, the polarization of the antenna elements is very important when considering antennas on generally shaped surfaces. For such antennas the polarization must most likely be controlled in some way for a proper function. For verification of the results two experimental antennas were built at Ericsson Microwave Systems AB, Mölndal, Sweden. The first antenna is a circular cylinder with an array of rectangular waveguide fed apertures and the second antenna is a doubly curved surface (paraboloid) with circular waveguide fed apertures. It is found that it is possible to obtain very accurate results with the asymptotic method when it is combined with the Method of Moments, i.e. a hybrid method is used. The agreement compared to measurements is good at levels as low as –80 dB in many cases. The second part of the thesis is about the development of a high frequency approximation for surface field calculations on a dielectric covered PEC circular cylinder. When using conformal antennas in practice they have to be covered with a radome for protection and with the method developed here this cover can be included in the analysis. The method is a combination of two different solutions, one valid in the non-paraxial region of the cylinder and the other is valid in the paraxial region. The method is verified against measurements and reference results obtained from a spectral domain moment method code. / QC 20100616

This thesis reports on an experimental study of slow viscoelastic flow through models of fibrous porous media. The models were square arrays of parallel cylinders, with solid volume fractions or ‘solidities’ of 2.5%, 5.0%, and 10%. An initial study using a Newtonian fluid provided a baseline for comparison with results for two Boger fluids, so that the effects of fluid elasticity could be determined. Boger fluids are elastic fluids that have near constant viscosities and can be used in experiments without having to account for shear-thinning effects. The experimental approach involved measurements of pressure loss through the three arrays and interior velocity measurements using particle image velocimetry (PIV). For the Newtonian flows, pressure loss measurements were in good agreement with the analytical predictions of Sangani and Acrivos (1982). PIV measurements showed velocity profiles which were symmetrical and independent of flow rate. Pressure loss measurements for the Boger fluid flows revealed that the onset of elastic effects occurred at a Deborah number of approximately 0.5, for both fluids and the three arrays. Flow resistance data collapsed for the two Boger fluids, and increased with solidity. For all three models, the flow resistance increased monotonically with Deborah number, reaching values up to four times the Newtonian resistance for the 10% model. PIV measurements showed that the transverse velocity profiles for the Newtonian and Boger fluids were the same at Deborah numbers below the elastic onset. Above onset, the profiles became skewed. The skewness, like the flow resistance, was observed to increase with both Deborah number and solidity. In the wake regions between cylinders in a column, periodic flow structures formed in the spanwise direction. The structures were staggered from column to column, consistent with the skewing. As either Deborah number or solidity increased, the flow structures became increasingly three-dimensional, and the stagger became more symmetric. An analysis of fluid stresses reveals that the elastic flow resistance is attributed to additional normal stresses caused by shearing, and not by extension.

This thesis reports on an experimental study of slow viscoelastic flow through models of fibrous porous media. The models were square arrays of parallel cylinders, with solid volume fractions or ‘solidities’ of 2.5%, 5.0%, and 10%. An initial study using a Newtonian fluid provided a baseline for comparison with results for two Boger fluids, so that the effects of fluid elasticity could be determined. Boger fluids are elastic fluids that have near constant viscosities and can be used in experiments without having to account for shear-thinning effects. The experimental approach involved measurements of pressure loss through the three arrays and interior velocity measurements using particle image velocimetry (PIV). For the Newtonian flows, pressure loss measurements were in good agreement with the analytical predictions of Sangani and Acrivos (1982). PIV measurements showed velocity profiles which were symmetrical and independent of flow rate. Pressure loss measurements for the Boger fluid flows revealed that the onset of elastic effects occurred at a Deborah number of approximately 0.5, for both fluids and the three arrays. Flow resistance data collapsed for the two Boger fluids, and increased with solidity. For all three models, the flow resistance increased monotonically with Deborah number, reaching values up to four times the Newtonian resistance for the 10% model. PIV measurements showed that the transverse velocity profiles for the Newtonian and Boger fluids were the same at Deborah numbers below the elastic onset. Above onset, the profiles became skewed. The skewness, like the flow resistance, was observed to increase with both Deborah number and solidity. In the wake regions between cylinders in a column, periodic flow structures formed in the spanwise direction. The structures were staggered from column to column, consistent with the skewing. As either Deborah number or solidity increased, the flow structures became increasingly three-dimensional, and the stagger became more symmetric. An analysis of fluid stresses reveals that the elastic flow resistance is attributed to additional normal stresses caused by shearing, and not by extension.

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.

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Für den Zylinderkopf ist das Schwerkraftgießen ein etabliertes Gießverfahren. Jedoch gehen die Gießereien in der Ausführung des Schwerkraftgusses unterschiedlich vor. Durch die mannigfaltigen Anschnittsysteme und die sich dadurch ergebenden Vor- bzw. Nachteile bei der Herstellung entstehen Unterschiede bei Qualität und Kosten. Ziel dieser Arbeit ist es, Standards und Vereinheitlichungen während der Produktentstehung eines Zylinderkopfes zu etablieren, um eine gleichbleibende Qualität der Zylinderköpfe in den Gießereien zu gewährleisten. Dazu sind vielfältige Ansatzpunkte zu verfolgen. Eine Möglichkeit ist die geometrische Beurteilung des Zylinderkopfs, wie z.B. Wandstärken, Speisungswege und die Außengeometrien. Die nach Lastenheftvorgaben zu erfüllenden Eigenschaften spielen gleichermaßen eine Rolle und haben Einfluss auf die Wahl des Gießverfahrens. Mit Hilfe von speziellen Entscheidungsmethoden ist eine Vorauswahl für ein Gießverfahren möglich. Des Weiteren werden mittels experimentellen Untersuchungen die Entscheidungen gestützt. Die Gießsimulation ist als zusätzliches Auslegungswerkzeug einzusetzen. Hierbei sind Gussfehler im Bauteil zu lokalisieren und zu vermeiden. Unzureichende Speisungswege oder zu geringe Wandstärken durch komplizierte Kerngeometrien sind zu ermitteln. Des Weiteren sind Vorhersagen zu Dendritenarmabständen und Materialausnutzung (Speiserdimensionierung) möglich, die direkt mit der Wahl des Gießverfahrens zusammenhängen. Die Verzahnung von Geometrie- und Metallurgiefaktoren führt idealerweise zur Definition von Standardisierungsaspekten zur Auswahl der Gießtechnologie bei der Zylinderkopfentwicklung. Durch eine parallele Produkt- und Prozessentwicklung ist eine Verkürzung des Produktentstehungsprozesses erreichbar.

The area of powertrain dynamics has received considerable attention over a number of years. The recent introduction of more stringent emission requirements together with economic pressure has led to a particular focus on increasing powertrain efficiency. This has seen the incorporation of on-board, real-time measurements to predict system behaviour and engine condition. In this domain, accurate models for all powertrain components are important. One strategy to improve accuracy is to evaluate the assumptions made when deriving each model and then to address the simplifications that may introduce large errors. To this end, the aim of the work presented in this dissertation was to investigate the consequences of some of the more common assumptions and simplifications made in low frequency torsional powertrain models, and to propose improved models where appropriate. In particular, the effects of piston-tocylinder friction, crank/gudgeon pin offset, and the torsional behaviour of tyres were studied. Frequency and time domain models were used to investigate system behaviour and model predictions were compared with measurements on a small single cylinder engine. All time domain engine and powertrain models also include a variable inertia function for each reciprocating mechanism. It was found that piston-to-cylinder friction can increase the apparent inertia variation of a single reciprocating engine mechanism. This has implications for the nonlinear behaviour of engines and the drivetrains they are connected to. The effect of crank/gudgeon pin offset also modified the nonlinear behaviour of the mechanism. Though, for typical (small) gudgeon offset values these effects are small. However, for large offset values, achievable practically with crank offset, the modification to the nonlinear behaviour should not be ignored. The low frequency torsional damping properties of a small pneumatic tyre were found to be more accurately represented as hysteretic rather than viscous. Time domain modelling was then used to extend the results to a multi-cylinder engine powertrain and was achieved using the Time Domain Receptance (TDR) method. Various powertrain component TDRs were developed using Laplacians. Powertrain simulations showed that piston-to-cylinder friction can provide additional excitation to the system.

La récupération, grâce aux hydroliennes, de l’énergie cinétique de courants marins et fluviaux constitue une source d’énergie renouvelable considérable et prédictible. La simulation fine, par une description statistique instationnaire de type URANS, de l’écoulement autour d’une hydrolienne isolée à axe vertical, bi-rotor et munie d’un carénage (hydrolienne de type HARVEST) donne accès à une estimation précise de la puissance produite. Cependant, le coût élevé de cette approche URANS la rend inadaptée à la simulation d’un parc de machines. Une analyse de la littérature conduit à retenir un modèle basse-fidélité de type Blade Element Momentum (BEM) pour décrire à moindre coût l’effet du rotor de la turbine sur l’écoulement, dans le contexte d’une description 2D (coupe horizontale). La performance de l’hydrolienne est alors prédite par un calcul RANS incluant des termes sources distribués dans un anneau rotor virtuel et conservant le maillage des parties fixes (carénage). Ces termes sources sont construits grâce à une procédure originale exploitant les conditions locales de l’écoulement en amont des cellules du rotor virtuel et le débit de l’écoulement traversant l’hydrolienne. Les coefficients hydrodynamiques utilisés pour le calcul des termes sources BEM-RANS sont construits une fois pour toutes en exploitant une série de simulations URANS préliminaires ; ils intègrent les effets du carénage et le fonctionnement de chaque rotor à une vitesse de rotation optimale (maximisant la puissance produite) grâce au système de régulation de l’hydrolienne. Le modèle BEM-RANS développé est validé par comparaison avec des simulations URANS de référence : il fournit une estimation fiable de la puissance produite (erreur de quelques % par rapport à l’approche URANS) pour un coût réduit de plusieurs ordres de grandeur. Ce modèle est appliqué à l'analyse de la puissance produite par une rangée d’hydroliennes HARVEST dans un canal pour différents facteurs de blocage et d’espacement latéral ainsi qu’à une ferme marine composée de trois hydroliennes. / The capture, thanks to hydrokinetic turbines, of the kinetic energy generated by sea and river currents provides a significant and predictable source of renewable energy. The detailed simulation, using an unsteady statistical description of URANS type, of the flow around an isolated water turbine of HARVEST type (cross flow vertical axis ducted water turbine) provides an accurate estimate of the power output. However, the cost of the URANS approach is much too expensive to be applied to a farm of several turbines. A review of the literature leads to select a low-fidelity model of Blade Element Momentum (BEM) type to describe at a reduced cost the rotor effect on the flow, in a 2D context (horizontal cross-section). The turbine performance is then predicted using a steady RANS simulation including source terms distributed within a virtual rotor ring and preserving the mesh of the turbine fixed parts (duct). These source terms are derived using an original procedure which exploits both the local flow conditions upstream of the virtual rotor cells and the flow rate through the turbine. The hydrodynamic coefficients used to compute the BEM-RANS source terms are built once for all from a series of preliminary URANS simulations; they include the effects of the duct on the flow and the rotor operating at optimal rotational speed (maximizing the power output) thanks to the turbine regulation system. The BEM-RANS model is validated against reference URANS simulations: it provides a reliable prediction for the power output (within a few % of the URANS results) at a computational cost which is lowered by several orders of magnitude. This model is applied to the analysis of the power produced by a row of Vertical Axis Water Turbines in a channel for various values of the blockage ratio and lateral spacing as well as to a 3-machine sea farm.

Ce travail est une contribution à la simulation numérique d'écoulements turbulents autour de corps non profilés. Après avoir précisé les ingrédients numériques et les modèles de turbulence utilisés dans nos simulations, nous présentons une étude sur l'évaluation des effets de la procédure dynamique des modèles de sous-maille dans un modèle VMS-LES et une approche hybride RANS/VMS-LES. Des problèmes d'écoulements autour d'un cylindre seul et en tandem sont considérés. Nous étudions ensuite le comportement de modèles de turbulence hybrides pour la simulation d'écoulements en régime sous-critique autour d'un cylindre circulaire. Le calcul de l'écoulement autour d'un cylindre de section rectangulaire par l'approche VMS-LES est aussi présenté. Enfin, dans une dernière partie, après avoir fait une revue des travaux importants sur les schémas d'avancement en temps multirate, nous proposons une nouvelle approche explicite multirate par agglomération de volumes finis que nous appliquons à des calculs d'écoulements turbulents complexes en utilisant un modèle de turbulence hybride. / This work is a contribution to the numerical simulation of turbulent flows around bluff bodies. After specifying the numerical ingredients and the turbulence models used in our simulations, we present a study on the impact of the dynamic sub-grid scale modeling in VMS-LES model and a RANS/VMS-LES hybrid turbulence approach. Simulations of flows around a cylinder and a tandem are performed. Next, we assess the behaviour of some hybrid turbulence models for the simulation of flows around a circular cylinder in the subcritical regime. The computation of the flow around a rectangular cylinder with the VMS-LES approach is also presented. At last, after a review of some important works on multirate time advancing schemes, we propose a new volume-agglomeration explicit multirate approach that is applied to the computation of complex turbulent flows by a hybrid turbulence model.