Lorsqu’un hélicoptère opère dans des conditions givrantes extrêmes, l’accumulation de glace sur les pales peut considérablement impacter les performances de l’appareil. De nombreuses recherches portant sur le développement d’un système de dégivrage à faible consommation et moindre coût ont été initiées ces dernières années. Dans cette thèse, une technique ondulatoire de protection contre la formation de glace sur les surfaces des pales d’hélicoptères est étudiée. La stratégie proposée repose sur l’utilisation d’ondes guidées d’ordre élevé spécifiques pour créer des cisaillements dépassant la force d’adhésion surfacique d’un profil de glace. Des essais ont d’abord été menés pour réaliser le modèle E.F. d’un tronçon de pale, puis une stratégie de réduction de modèle est développée pour la Méthode des Éléments Finis Ondulatoires. Cette formulation s’appuie sur la projection des vecteurs d’état sur une base réduite, constituée des formes d’ondes progressives. Elle permet de réaliser des analyses ondulatoires large-bande dans les structures complexes, 1D ou 2D périodiques. Les ondes guidées sont d’abord examinées dans la pale d’hélicoptère, puis les effets de localisation et de conversion des ondes sont interprétés dans divers guides d’ondes 1D et 2D. Les interactions de ces ondes d’ordre élevé avec les profils d’accrétion de glace, ainsi qu’avec plusieurs types de singularités structurelles, sont analysées au moyen d’une Méthode des Matrices de Diffusion. Une formulation ondulatoire temporelle est ensuite proposée pour l’analyse rapide de la propagation d’un train d’ondes dans les guides d’ondes couplés. Enfin, un réseau d’actionneurs est conçu pour la génération de trains d’ondes d’ordre élevé, et des validations temporelles sont réalisées dans une plaque composite ainsi que dans une pale de Super Puma. / When helicopters fly through extreme conditions, ice can aggregate on their blades and seriously affect the aircraft performances. Recently, an increasing research effort was devoted to the development of affordable low power de-icing solutions. In this thesis, a wave-based approach is adopted to prevent and/or remove ice aggregates from the surfaces of helicopter rotor blades. The de-icing strategy uses specific high-order guided waves to exceed the shear adhesion strength of ice accretion profiles. Experiments are conducted in order to update the FE model of a realistic rotor blade, then a Model Order Reduction strategy is developed for the Wave Finite Element Method. It involves a projection of the state vectors on a reduced basis of propagating waves shapes, and enables broadband wave analysis in structurally advanced 1D and 2D periodic structures. Guided wave propagation is studied within a helicopter rotor blade, and wave localization and conversion effects are discussed in various 1D and 2D composite waveguides. The interactions of high-order waves with ice aggregates and other types of structural singularities are also examined by means of a Diffusion Matrix Method. Then, time-domain propagation in coupled waveguides subjected to a wave pulse is analysed through a computationally efficient wave-based formulation. Finally, a smart actuator network is designed for the generation of high-order wave pulses and validations are conducted in a composite plate and a Super Puma rotor blade using time simulation.

Modélisation et analyse d’un système de dégivrage en aéronautiqueRésuméCe manuscrit de thèse aborde les travaux de modélisation d’une nouvelle technologie électromécanique pour le dégivrage en aéronautique en mode vol.Le principe de fonctionnement de la technologie étudiée repose sur la déformation mécanique des surfaces à dégivrer à partir d’efforts électromagnétiques générés par une excitation en courant électrique de forte intensité. La solution imaginée par le partenaire industriel Zodiac Aerospace, a conduit à un démonstrateur dont les premiers essais ont été lancés préalablement à cette thèse. À partir des résultats obtenus, l’objectif de ces travaux de thèse a été d’obtenir un modèle adapté pour les futures démarches d’optimisation dans le but ultime d’aller vers une solution de dégivrage plus électrique que les solutions existantes, performante, et plus efficace en termes de rendement énergétique.Une modélisation multiphysique a été réalisée. Cette modélisation est constitué de plusieurs sous modèles analytiques qui ont été intégrés sur une plateforme de résolution numérique. La modélisation mécanique met en œuvre une approche de type plaque par éléments bande, qui a été résolu en fonction du temps par une méthode de différences finies. Le modèle mécanique résultant est dit semi-analytique. La modélisation électromagnétique repose sur une définition analytique et a présenté comme difficulté la complexité de la définition géométrique du démonstrateur. Un circuit électrique équivalent du dispositif complet a été identifié et les équations du modèle électrique ont été définies ; ceci a permis de réaliser une analyse énergétique pour comprendre la transformation des forces de nature différente et mettre en évidence la possibilité d’une future optimisation.Les résultats de simulation à partir du modèle final représentent assez bien la dynamique de la déformation mécanique observée expérimentalement mais présentent en revanche des limitations en termes de précision.Mots clé : Dégivrage électromécanique, aéronautique, modélisation multiphysique, déformation de plaques, force de Laplace. / Modeling and analysis of an electromechanical de-icing system in aeronauticsAbstractThis thesis report explains the modeling procedure of a new electromechanical de-icing technology in aeronautics for in-flight application.The operation principle of the technology resides in the mechanical deformation of the working surface caused by the effect of electromagnetic forces generated from a high-intensity current source.The industrial partner Zodiac Aerospace conceived this solution they carried out the construction of a demonstrator and a series of tests prior to this Ph.D. Based on the obtained results, the aim of this project was to achieve an adequate model of the de-icing system that should be suitable for further optimization of the device, such that a more electric de-icing solution will be proposed, with good performance and with higher energetic efficiency.A multiphysiscs model was developed, which comprises multiple analytical submodels that where integrated into a numerical resolution platform. The mechanical submodel implements a strip approach for plates solved via a finite differences method that permits time dependence evaluation, and can be defined as semi analytical. Another submodel is based on the mathematical definition of the electromagnetic behavior, the main complication of which was to consider the complex geometrical definition of the demonstrator. An equivalent electric circuit for the whole system was identified and the equations for an electrical submodel where then established. This allowed the study of the energy transformation and repartition, and reveals the possibility of future optimization.Simulation results from the final model properly reproduce the dynamics of the mechanical deformation response as were observed during the previous experiments, but also reveals some minor accuracy problems.Key words : Electromechanical de-icing, aeronautics, multiphysics modeling, deformation of plates, Laplace force.

Dans un objectif de réduction des consommations énergétiques et des impacts environnementaux, la pompe à chaleur (PAC) s'est imposée comme une alternative aux systèmes à combustion fossile pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire dans les secteurs résidentiel et tertiaire. Les industriels ne cessent de chercher à accroitre la performance énergétique des pompes à chaleur. Toutefois, un phénomène encore mal maitrisé limite les progrès : le givrage. En effet, dans certaines conditions de température et d'humidité de l'air extérieur, du givre peut se former sur la surface de l'évaporateur de la PAC, provoquant ainsi une chute de performance. En France, près de 98 % des PAC du marché utilisent l'air extérieur comme source de chaleur et sont donc exposées à ce phénomène. Malgré des logiques de dégivrage de plus en plus sophistiquées mises en œuvre par les industriels, le fonctionnement cyclique givrage/dégivrage réduit fortement les performances des PAC. Pour optimiser les méthodes de dégivrage, il est nécessaire de comprendre en amont, les mécanismes d'apparition et de croissance du givre. Ce travail de thèse propose ainsi d'étudier la formation et le développement du givre sur une plaque plane refroidie. Une étude approfondie de la bibliographie a permis d'établir des bases de données regroupant des points expérimentaux de l'épaisseur et de la masse volumique du givre. Des modèles et corrélations de formation du givre disponibles dans la littérature ont été reproduits et appliqués à ces bases de données afin d'évaluer la capacité de prédiction de chacun de ces modèles. Les plus performants ont ainsi pu être identifiés. En parallèle, un banc d'essais a été conçu pour observer la formation et la croissance du givre sur une plaque plane. L'étude de sensibilité menée sur la température de l'air, la température de la plaque froide, la vitesse de l'air et l'humidité relative a permis d'évaluer l'impact de ces paramètres sur la formation du givre, et plus particulièrement sur trois de ses propriétés : l'épaisseur, la masse volumique et la conductivité thermique. L'humidité relative et la température de la plaque froide ont été identifiées comme les paramètres prépondérants. Un des résultats importants de ce travail a été de mettre en évidence le rôle de la structure du givre sur ses propriétés (masse volumique et conductivité). Les points expérimentaux obtenus sur le banc d'essais ont été comparés aux résultats issus des modèles de la littérature. Les méthodes de prédiction identifiées comme satisfaisantes dans la partie bibliographique de cette thèse ont fourni des résultats similaires d'un point de vue statistique. Des perspectives de travail ont également été proposées. / In the energy consumption and environmental impact reduction goal, heat pumps emerged as an alternative to fossil fuel systems for space heating and hot water production in residential and tertiary sectors. Manufacturers still try to improve energy performance of heat pumps. However, a non-controlled phenomenon is limiting progress: frosting. Indeed, in some outdoor air temperature and relative humidity conditions, frost can form on the heat pump evaporator surface, leading to performance reduction. On the French market, almost 98 % of the heat pumps are using outdoor air as heat source and are thus affected. Despite more and more sophisticated defrosting strategies, the frosting/defrosting cyclic operation strongly reduces heat pump performance. For optimizing defrosting strategies, there is a need understanding frost appearance and growth mechanisms. This PhD work thus proposes to study frost formation and development on a cold plane plate. An in-depth bibliography study helped establishing databases gathering experimental points on frost thickness and frost density. Models and correlations of frost formation available in the literature have been reproduced and applied to the databases in order to evaluate their prediction capacity. The most performing models have been identified. Meanwhile, an experimental bench allowing visualization of frost formation and development on a cold plane plate has been set up. The sensitivity analysis on air temperature, cold plate temperature, air velocity and relative humidity allowed an evaluation of these parameters impact on frost formation, and more particularly on three of its properties thickness, density and thermal conductivity. Relative humidity and cold plate temperature have been identified as the leading parameters. One of the main results of this work was to highlight the frost crystal structure role on properties (i.e. density and thermal conductivity). Experimental data points obtained with the test bench have been compared to the results provided by literature models. Predictive methods identified as satisfying in the bibliography study gave similar results (from a statistical point of view). Perspectives for future work have also been proposed.

Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice build up, due to the presence of supercooled water droplets in clouds, leads to degradation of aerodynamic and/or air intake performances, among other undesirable consequences. Hence aircraft manufacturers must comply with certifications and regulations regarding flight safety in icing conditions. In order to do so, ice protection systems are used. Due to the multi-physical context within which these systems operate, numerical simulation can be a valuable asset. The present work deals with the numerical modelling of electro-thermal ice protection systems. It is built around the development of three modules. Two of them are dedicated to modelling heat transfer in the system and in the ice block. The other one models the mechanical behaviour of ice and fracture. Hence, the mechanical properties of atmospheric ice are reviewed in order to identify some mechanical parameters relevant to the fracture model. The fracture mechanics numerical method is used to investigate possible ice shedding mechanisms, that is to say the mechanisms leading to the detachement of ice, which are not yet well understood. The final goal of this work is to propose a completely coupled 2nd generation simulation methodology for electro-thermal ice protection systems. Hence the feasibility of a coupled thermal computation with ice shedding prediction based on the developed modules is shown. / Le givrage a depuis longtemps été identifié comme une problématique sérieuse dans le monde aéronautique.L’accrétion de givre, due à la présence de gouttelettes d’eau surfondue dans les nuages, dégrade les performances aérodynamiques et le rendement des entrées d’air parmi d’autres conséquences néfastes. Ainsi, les avionneurs sont sujets à des règles de certifications concernant la capacité à voler en conditions givrantes. Pour se faire, des systèmes de protection contre le givre sont utilisés. En raison de la complexité des phénomènes physiques mis en jeux, la simulation numérique constitue un atout lors de la phase de conception. Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique des systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Il s’articule autour de trois approches de modélisation, qui ont donné lieu au développement de trois modules. Deux d’entre eux sont dédiés à la simulation du transfert de chaleur dans le système et dans la glace (changement de phase). Le troisième est lié à la modélisation du comportement mécanique du givre atmosphérique avec fissuration. Ainsi, les propriétés mécaniques du givre atmosphérique sont revues de façon à pouvoir identifier les paramètres intervenant dans le modèle de fissuration. Ce modèle est ensuite utilisé pour étudier les mécanismes possibles de détachement du givre, qui ne sont à l’heure actuelle pas encore bien compris. Le but final de ce travail est de proposer une méthodologie de simulation couplée pour les systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Ainsi, la faisabilité d’un calcul couplé thermique-fissuration avec prédiction de détachement de givre est présentée.

Les études, menées en collaboration entre la société VALEOL et le laboratoire IMS, proposent des solutions pour optimiser la production et le fonctionnement d'une éolienne. Il s’agit de travailler sur les lois de commande du système ou des sous-systèmes en utilisant la commande CRONE, répondant à un besoin de robustesse. Chaque étude met en avant des aspects de modélisation, d’identification et de synthèse de lois de commande avant mises en application au travers de simulations ou d’essais sur modèles réduits et taille réelle.Le chapitre 1 donne une vision d’ensemble des problématiques traitées dans ce manuscrit, à l’aide d’états de l’art et de remise dans le contexte économique et industriel de 2013.Le chapitre 2 introduit la commande CRONE pour la synthèse de régulateurs robustes. Cette méthodologie est utilisée pour réaliser l’asservissement de la vitesse de rotation d’une éolienne à vitesse variable, présentant une architecture innovante avec un variateur de vitesse mécanique et génératrice synchrone.Le chapitre 3 établit la comparaison de trois nouveaux critères d’optimisation pour la méthodologie CRONE. Le but est de réduire sa complexité et de faciliter sa manipulation par tout utilisateur. Les résultats sur les différents critères sont obtenus par simulations sur un exemple académique, puis sur un modèle d’éolienne de type MADA.Le chapitre 4 porte sur la réduction des charges structurelles transmises par le vent à l’éolienne. Il est question d’une amélioration du contrôle de l’angle de pitch par action indépendante sur chaque pale en fonction de la position du rotor ou encore des perturbations liées au ventLe chapitre 5 est consacré à la conception d’un système d’antigivrage et dégivrage d’une pale dans le cadre d’un projet Aquitain. Après modélisation et identification du procédé, la commande CRONE est utilisée pour réguler la température d’une peinture polymère chauffante sous alimentation électrique disposée sur les pales. L’étude est complétée par la mise en place d’un observateur pour la détection de présence de givre. / The research studies, in collaboration with VALEOL and IMS laboratory, propose several solutions to optimize the production and the efficiency of a wind turbine. The general theme of the work is based on control laws of the system or subsystems using the CRONE robust design. Each part highlights aspects of modeling, system identification and design before simulations or tests of scale and full size models. Chapter 1 provides an overview of the issues discussed in this manuscript, using states of the art and precisions on the industrial and economic context of 2013.Chapter 2 introduces the CRONE command for robust design. It is used to achieve the control of the rotation speed of a variable speed wind turbine, with an innovative architecture - mechanical variable speed solution and synchronous generator.Chapter 3 makes a comparison of three new optimization criteria for CRONE design. The aim is to reduce the methodology complexity and to facilitate handling by any user. The results are obtained through simulations on an academic example, then with a DFIG wind turbine model. Chapter 4 focuses on the reduction of structural loads transmitted by the wind on the turbine. It is about better control of the pitch angle by individual pitch control, depending on the rotor position or wind disturbances.Chapter 5 deals with the design of an anti-icing/de-icing system for blades. After the modeling and identification steps, the CRONE design is used to control the temperature of a heating coating disposed on the blades. An observer is finally designed to detect the presence of ice.