Cette thèse se situe dans le cadre de l'étude des réseaux faiblement interconnectés (puissance échangée limitée)ou isolés, alimentés principalement par des sources d'origine renouvelable. Afin d'équilibrer à chaque instant la production et la consommation, des groupes électrogènes ou des systèmes de stockage sont insérés. Les travaux portent sur deux grands objectifs. Le premier est de déterminer un mode de fonctionnement des moyens de stockage et de production afin d'exploiter le système à coût minimal en fonction des conditions météorologiques (prévision de la production renouvelable), tarifaires et de la consommation. Une seconde méthode d'optimisation est développée, prenant compte également les contraintes du réseau. Le deuxième objectif est la détermination de la meilleure localisation des moyens de stockage et de production sur le réseau. Une installation optimale permet de réduire les pertes en ligne, d'améliorer la qualité de la tension et ainsi de limiter le renforcement du le réseau aux points critiques. Le concept de stockage réparti (ou décentralisé) est introduit. La répartition de la capacité globale de stockage et le choix des paramètres de fonctionnement des onduleurs (pour répartir les appels de puissance) sont proposés. La simulation d'un cas d'application (réseau de Corse) permet de valider les outils développés.

Le SF6 (Hexafluorure de soufre) a été utilisé depuis longtemps comme un gaz d'isolation très adapté pour les appareillages électriques. Cependant, son impact sur le réchauffement climatique, estimé 24000 fois plus actif que le CO2 sur 100 ans, pose le problème de son remplacement à moyen terme. L'objectif de cette thèse est d'étudier deux solutions de remplacement du SF6 : les liquides biodégradables et les mélanges de gaz CF3I/N2. Les deux phénomènes physiques conduisant à un claquage : la génération d'une décharge et sa propagation, ont été étudiés séparément. L'influence des différents paramètres tels que la pression, distance, distribution de champ, teneur en particules ou humidité relative...a été également mise en évidence. La fonction d'isolation est en fin validée dans un maquette disjoncteur moyenne tension qui représente un cas d'application réelle.

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d'améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. De manière plus générale, ce travail s'applique à tout système industriel mettant en jeu un écoulement multiphasique constitué d'un carburant liquide injecté dans une chambre occupée initialement par du gaz, comme par exemple les moteurs automobiles ou aéronautiques, ou les turbomachines. Intrinsèquement, il est possible de simuler l'ensemble de l'écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l'injection (gouttes de diamètre inférieur à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C'est pourquoi il est nécessaire d'introduire une modélisation diphasique. C'est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le coeur liquide dense proche de l'injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d'une population de gouttes polydisperse (c'est-à-dire de tailles différentes) générées après le processus d'atomisation en aval de l'injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d'applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC, en anglais). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Ces solutions reposent chacune sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d'équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l'évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d'ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments (Quadrature Method of Moment, QMOM en anglais) en une ou plusieurs dimensions d'espace. De la même manière que précédemment, l'utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d'espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l'élaboration de schémas de transport d'ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation DNS en anglais) dédié à l'évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L'extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles (dû au mouvement du piston) dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian en anglais) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d'étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d'une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d'un calcul d'injection dans une chambre de combustion d'un spray polydisperse avec le modèle EMSM.

Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat - encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe - plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles.

Les travaux consignés dans ce mémoire ont été ou sont réalisés au sein du pôle de compétences " Actionneurs-Transport-Energie " de SATIE (ex. LESIR) de L'ENS de Cachan sur les deux sites cachanais et breton. Ce mémoire est organisé en 3 parties. La première partie est consacrée au résumé des travaux d'enseignement et de recherche. Les co-encadrements ainsi que les différentes publications scientifiques y sont également mentionnés. Chaque publication est référencée selon une nomenclature précisée dans cette première partie. Dans tout le mémoire, ces références sont indiquées en caractère gras. Le fil rouge des travaux présentés est l'étude de divers procédés de conversion et la modélisation de convertisseurs non-conventionnels. L'activité de conception est un domaine passionnant pour lequel je n'ai pu m'empêcher d'écrire quelques mots à travers un préambule intitulé " La conception : un art, une technique ou une science ? " (deuxième partie). Globalement cette partie traite des aspects philosophiques et épistémologiques de l'activité de conception et ses facettes subjectives et irrationnelles, autrement dit artistiques. Cependant, dans le dernier paragraphe intitulé " l'art au service de la science ", sont décrits les travaux concernant l'élaboration d'une méthodologie générique d'aide à la conception que représente la " Conception par Optimisation de Distribution " et les premiers résultats que nous avons obtenus (thème D). Dans la troisième partie est proposée une synthèse des travaux de recherche aux quels j'ai contribués. L'originalité des travaux menés réside à la fois dans les configurations électromagnétiques innovantes étudiées et dans les méthodologies de dimensionnement et d'analyse élaborées utilisant des approches combinées numériques et analytiques. En outre, ces travaux sont guidés par une volonté de développer une approche relativement synthétique de la conversion électro-magnéto-mécanique et d'établir des règles " générales " de conception et de modélisation. Cette synthèse débute avec un premier chapitre " Nomenclature et spécificité du couplage fractionné " qui permet de situer sur le plan structurel les travaux réalisés. Des critères de classification des actionneurs essentiellement électromagnétiques y sont proposés notamment le critère de couplage électromagnétique. Ce dernier permet de définir deux principales classes de machines : celles à couplage fractionné et celles à couplage polaire. Les spécificités de ces couplages sont ensuite examinées au travers d'une approche analytique tendancielle utilisant les lois de similitude. Ensuite, trois thèmes sont développés, chacun organisé en trois chapitres. Le premier thème concerne les configurations à couplage fractionné à bobinage global. Tout d'abord les performances intrinsèques de différentes dispositions dites " fondamentales " à aimants et/ou à réluctance sont examinées au travers de l'étude par motifs élémentaires (chapitre A.I). Ensuite, la répartition 3D de ces motifs, donnant lieu au concept polyentrefer, est analysée au chapitre A.II. L'intérêt, la faisabilité et les limitations de ce concept sont étudiés à partir d'approches théoriques mais également pratiques sur la base de plusieurs réalisations aussi bien tournantes que linéaires. Enfin, la répartition 2D des motifs élémentaires précédemment mentionnés, permet d'analyser les possibilités de ce type de couplage à la conception de structures monoentrefers (chapitre A.III) présentant des fonctionnalités spécifiques telles qu'un fort taux d'intégration aux contraintes d'application ou encore la simplicité d'alimentation électronique (structures monophasées). Le deuxième thème concerne les configurations à couplage polaire et à excitation homopolaire. De complexité structurelle croissante, trois configurations sont étudiées. La première (chapitre B.I), adaptée aux hautes vitesses de rotation à très forte puissance, concerne le freinage par courants induits où des modèles de dimensionnement combinés éléments finis-analytiques-circuits réluctants originaux ont été développés. La deuxième configuration (chapitre B.II) est de type " tout fer tournant " étudiée dans le cadre du stockage électromécanique. Enfin, la troisième configuration (chapitre B.III) est à double excitation : par aimants et par bobine permettant une meilleure optimisation du fonctionnement sur cycle notamment dans le cadre de la traction électrique ou hybride. Le dernier thème intitulé " composants mécatroniques pour l'Intelligence énergétique " concerne l'étude de systèmes présentant un couplage fondamentalement fort entre les différents phénomènes physiques mis en jeu. C'est le cas des récupérateurs d'énergie de la marche, de la houle ou encore thermique (chapitre C.I). C'est également le cas des soupapes électromagnétiques (chapitre C.II). Dans chaque chapitre sont rappelés les co-encadrements, les collaborations universitaires et/ou industrielles, les autres membres permanents de l'équipe impliqués dans le thème abordé ainsi que les références de(s) article(s) joint(s) en annexe. En outre, un bilan critique est présenté à la fin de chaque chapitre. Dans la dernière partie du mémoire sont proposés un bilan global des travaux menés ainsi que quelques perspectives et thématiques nouvelles.

Cette thèse a pour but d'analyser le couplage électromagnétique sur les systèmes électroniques linéiaires testés en chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM).

Il s 'agit ici, de mettre en place des méthodologies de détermination des modèles électriques des machines à griffes, en régime permanent et transitoire. Une description de l'alternateur à griffes et de son principe de fonctionnement sera présentée dans le premier chapitre. Ensuite, dans le deuxième chapitre, une analyse fine sera réalisée sur les méthodes d'identification actuellement en vigueur sur les alternateurs de grande puissance en régime permanent. A l'issue de cette analyse, on adaptera ces méthodes aux alternateurs à griffes. Le troisième chapitre consistera en l'étude de la machine en régime transitoire dans le but essentiel de pouvoir évaluer les pertes fer notamment dans le rotor massif. Ceci permettra d'élaborer une méthodologie de séparations des pertes tant en essais qu'en simulations par éléments finis. Dans un quatrième chapitre nous développerons des axes d'améliorations des performances de la machine.

Les gaz de synthèse (Syngas) sont reconnus comme sources d'énergie viables, en particulier pour la production d'électricité. Lors de cette étude, trois compositions de syngas ont été retenues. Elles sont représentatives de gaz issus de la gazéification de la biomasse forestière. Leur potentiel dans des systèmes de production d'énergie utilisant un Moteur à Combustion Interne (MCI) a été étudié. Leur vitesse de flamme en régime laminaire a été déterminée à partir de visualisation par strioscopie. Les effets du taux d'étirement ont été quantifiés au travers de la détermination du nombre de Karlovitz et de Markstein. En raison des lacunes de la littérature sur les caractéristiques de combustion de ces syngaz, la méthode de combustion sphérique a été utilisée pour déterminer la vitesse de flamme sur un domaine de pression de 1 à 20 bars. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un code de simulation multi-zones prenant en compte les transferts de chaleur aux parois afin d'estimer la distance de coincement. Une analyse en régime turbulent a été menée en Machine à Compression Rapide (MCR), machine capable de reproduire un cycle compression-détente d'un moteur à combustion interne. En général, les applications stationnaires de production électrique utilisent le gaz naturel comme carburant, mélange majoritairement constitué de méthane. Pour servir de référence à la comparaison des capacités des trois syngaz retenus, un mélange méthane-air a été testé également. Afin d'identifier les différents paramètres liés au fonctionnement de la MRC, en particulier les transferts de chaleur aux parois, des essais sans combustion ont été réalisées. Enfin un code de simulation du cycle d'un moteur à piston utilisant ces syngaz comme combustible a été développé. Sa validation a été réalisée en utilisant les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant des mélanges hydrogène-air et méthane-air, et également à l'aide des données obtenues sur la MCR. Le modèle a finalement été utilisé pour déterminer les performances d'un moteur à piston fonctionnant avec ces sysngaz. Il a été observé que les compositions typiques de syngas, même avec des capacités calorifiques et la vitesse de flamme plus faibles, peuvent être utilisées pour les moteurs à allumage commandée et ceci à des vitesses de rotation élevées.

Les gaz de synthèse (Syngas) sont reconnus comme sources d'énergie viables, en particulier pour la production d'électricité. Lors de cette étude, trois compositions de syngas ont été retenues. Elles sont représentatives de gaz issus de la gazéification de la biomasse forestière. Leur potentiel dans des systèmes de production d'énergie utilisant un Moteur à Combustion Interne (MCI) a été étudié. Leur vitesse de flamme en régime laminaire a été déterminée à partir de visualisation par strioscopie. Les effets du taux d'étirement ont été quantifiés au travers de la détermination du nombre de Karlovitz et de Markstein. En raison des lacunes de la littérature sur les caractéristiques de combustion de ces syngaz, la méthode de combustion sphérique a été utilisée pour déterminer la vitesse de flamme sur un domaine de pression de 1 à 20 bars. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un code de simulation multi-zones prenant en compte les transferts de chaleur aux parois afin d'estimer la distance de coincement. Une analyse en régime turbulent a été menée en Machine à Compression Rapide (MCR), machine capable de reproduire un cycle compression-détente d'un moteur à combustion interne. En général, les applications stationnaires de production électrique utilisent le gaz naturel comme carburant, mélange majoritairement constitué de méthane. Pour servir de référence à la comparaison des capacités des trois syngaz retenus, un mélange méthane-air a été testé également. Afin d'identifier les différents paramètres liés au fonctionnement de la MRC, en particulier les transferts de chaleur aux parois, des essais sans combustion ont été réalisées. Enfin un code de simulation du cycle d'un moteur à piston utilisant ces syngaz comme combustible a été développé. Sa validation a été réalisée en utilisant les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant des mélanges hydrogène-air et méthane-air, et également à l'aide des données obtenues sur la MCR. Le modèle a finalement été utilisé pour déterminer les performances d'un moteur à piston fonctionnant avec ces sysngaz. Il a été observé que les compositions typiques de syngas, même avec des capacités calorifiques et la vitesse de flamme plus faibles, peuvent être utilisées pour les moteurs à allumage commandée et ceci à des vitesses de rotation élevées.

Le barrage poids en enrochement dont l'étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd'hui. Son appellation courante est " CFRD1 ". La conception de ce type d'ouvrage est effectuée en suivant des " règles " de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l'approche empirique.Il s'avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l'assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s'intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d'influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d'identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l'effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan " énergie reçue/énergie rendue " par le système (l'échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l'énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l'existence d'un effet d'échelle. Une théorie d'effet d'échelle récemment proposée pour l'enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d'un matériau contenant des particules de taille significative à partir d'un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis.