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This thesis project has been conducted during a five-month research exchange visit to the Space Structure Dynamics and Control research group at University College Dublin. This report presents the design, development, and validation of a nanosatellite attitude control testbed. The testbed was designed to replicate the microgravity conditions of space by utilising an air bearing, enabling single-axis rotational motion for a 1U CubeSat-sized nanosatellite. The novel aspect of this research is the inclusion of two-degree-of-freedom, lumped-mass flexible appendages on either side of the nanosatellite, emulating a lightweight, flexible space structure. These flexible appendages were designed based on the stiffness characteristics of a deployable CubeSat solar array system found in existing literature, with exaggerated motion to amplify the measurable effects of various control approaches. The central focus of this project was the development of an avionics stack closely resembling CubeSat attitude control boards. The stack uses an STM32 microcontroller as the primary attitude control computer, and a suite of off the shelf breakout boards for sensors and wireless telemetry systems. Power, serial and I2C buses connect the attitude control board and the onboard computer board. A reaction wheel actuator controls the Euler heading attitude. The testbed was designed as an experimental platform for validating control algorithms developed through a model-based approach. Integration with the Simulink Embedded Coder toolbox allows for the compilation of Simulink models into C code, facilitating direct execution on the testbed. The testbed’s physical construction involves 3D printed ABS components, with the inclusion of load cells to measure disturbance torques from the excited flexible appendages. Results from validation experiments show that a simple PID controller causes significant excitation in the flexible appendages during a slew manoeuvre. However, the introduction of an input shaped attitude profile tailored to the natural frequency of the appendages successfully reduced the measured appendage excitation by 50%. Conversely, the force impedance wave based control approach did not show a reduction in appendage excitation, but shows promise for further developments in future work. In conclusion, the testbed has successfully achieved its predefined project objectives, albeit requiring further refinement, particularly in the telemetry down-link system. It is recommended that future work focuses on enhancement of the telemetry system, and validation of a model based approach to controller design. / Detta examensarbete har utförts under ett fem månaders forskningsutbyte vid forskningsgruppen Space Structure Dynamics and Control vid University College Dublin. Denna rapport presenterar design, utveckling och validering av en testbädd för attitydstyrning av en nanosatellit. Testbädden utformades för att efterlikna mikrogravitationsförhållandena i rymden genom att använda ett luftbärande lager, vilket möjliggör rotationsrörelse kring en axel för en nanosatellit av storleken 1U CubeSat. En unik aspekt av detta arbete är inkluderingen av två-frihet-graders, sammansatta flexibla påhängen på vardera sidan av nanosatelliten, vilket efterliknar en lätt, flexibel rymdstruktur. Dessa flexibla påhängen utformades med utgångspunkt från styvhetsegenskaperna hos ett utskjutbart CubeSat-solcellssystem som finns i befintlig litteratur, med överdriven rörelse för att förstärka de mätbara effekterna av olika styrmetoder. Det centrala fokuset för detta projekt var utvecklingen av en avionikstack som nära liknar CubeSat-attitydregleringkort. Stacken använder en STM32-mikrokontroller som primär dator för attitydkontroll och ett urval färdiga breakout-kort för sensorer och trådlös telemetri. Strömförsörjning, serie- och I2C-bussar ansluter attitydregleringkortet och omborddatorn med en reaktionshjulsaktuator som styr Euler-attityd. Testbädden utformades som en experimentell plattform för att validera styralgoritmer som utvecklats med hjälp av en modellbaserad metod. Integration med Simulink Embedded Coder möjliggör kompilering av Simulink-modeller till C-kod, vilket underlättar direkt exekvering på testbädden. Testbäddens fysiska konstruktion innefattar 3D-utskrivna ABS-komponenter med inkludering av lastceller för att mäta störningsmoment från de exciterade flexibla påhängen. Resultaten från valideringsexperiment visar att en enkel PID-regulator orsakar betydande excitation i de flexibla påhängena under en vridningsmanöver. Dock lyckades en input-formad attitydprofil som anpassats till de flexibla påhängenas naturliga frekvens framgångsrikt minska den uppmätta excitationen med 50%. Omvänt visade den kraftimpedansvågbaserade styrmetoden inte någon minskning i excitation, men visar potential för vidare utvecklingar i framtida arbete. Sammanfattningsvis har testbädden framgångsrikt uppnått sina fördefinierade projektmål, om än med behov av ytterligare förfining, särskilt i telemetrisystemet. Det rekommenderas att framtida arbete fokuserar på förbättring av telemetrisystemet och validering av en modellbaserad ansats till styrdesign.

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire concerne le développement d'un modèle global représentant le couplage de l'enveloppe du bâtiment avec les équipements énergétiques. Une approche systémique appelée les Bond Graphs, peu employée jusqu'ici dans la modélisation des systèmes thermiques, est utilisée. Le modèle global du bâtiment, regroupant sous le même environnement de simulation, les modèles de l'enveloppe du bâtiment, les apports solaires, les émetteurs de chauffage et de rafraîchissement et le système de ventilation, est développé pour reconstituer l'ensemble des articulations énergétiques entre l'enveloppe et les environnements intérieur et extérieur. A travers la modélisation d'un bâtiment multizone, le couplage systémique des modèles de l'enveloppe et des apports solaires est présenté. Par ailleurs, un système combinant un plancher chauffant et un plafond rafraîchissant est étudié à l'aide des modèles des émetteurs de chauffage et de rafraîchissement. Le renouvèlement d'air dans le bâtiment est également concerné par la modélisation Bond Graph. Enfin, des éléments de validation expérimentale sont présentés. Pour cela, la plateforme de tri-génération d'énergie ENERBAT est exploitée. L'objectif est d'étudier le couplage optimal enveloppe du bâtiment - équipements énergétiques pour lequel les modèles BG sont développés. Une étude paramétrique tenant compte des interactions entre les paramètres étudiés est menée sur un projet réel de rénovation. Finalement, une combinaison appropriée des paramètres étudiés a été retenue afin de réduire la consommation énergétique selon la réglementation thermique française (RT2012) / Our works focus on the setting of reliable tools able to analyze the interaction between the building envelope and HVAC systems. The developed approach is based on Bond Graphs methodology, a graphical modeling language which is particularly suitable for energy exchanges. A numerical model gathering, under the same simulation environment, sub-models representing the building envelope, the solar gains, the floor heating, the chilled ceiling and the ventilation system, is developed in order to predict the energy interactions between these sub-systems. The multi-zone building model is developed in order to simulate and analyze the overall building thermal behavior. Then, the solar gains model is also included to predict the solar radiation exchanges in a way close to reality. The model of the heating and cooling system, combining the floor heating and the chilled ceiling, is developed in order to improve the thermal comfort of the building. Afterwards, the ventilation system is modeled in order to represent the air exchange inside the building. The experimental validation is carried out on the tri-generation unit integrated with a thermal solar system (platform ENERBAT). Furthermore, the parametrical study was realized in order to gain a better understanding according to the impact of some factors in the energy performance of the single-family building located in Meurthe-et-Moselle region (France). Optimization of several measures, such as insulation of the building envelope, type of glazing, building orientation and ventilation system, is performed to respond to the requirements of the French thermal standard (RT2012)

Les gaz issus de la combustion des énergies fossiles dans les centrales électriques contiennent une grande variété de polluants tels que les gaz-acides et ne peuvent être rejetés directement dans l'atmosphère. Ces polluants gazeux doivent être traités par des méthodes de captage en post combustion dans des colonnes d'absorption utilisant des solvants chimiques. L'objectif est donc de concevoir une unité d'élimination sélective des gaz-acides tels que CO2, H2S et COS en utilisant des solvants de la famille des alcanolamines. Cette thèse développe dans un premier temps, un modèle de non-équilibre, adapté aux systèmes multiconstituants électrolytiques et réactifs, pour la représentation des colonnes d'absorption réactive. Le modèle comporte des modules pour représenter la thermodynamique en espèces vraies (espèces ioniques et moléculaires), le transfert simultané de masse et de chaleur, et les réactions chimiques. Les équations généralisées de Maxwell-Stefan sont utilisées pour quantifier les interactions multiconstituants lors de la diffusion. Le schéma réactionnel est intégralement pris en compte dans la phase liquide, et les réactions chimiques peuvent être cinétiquement contrôlées ou à l'équilibre chimique instantané. La séparation réactive en régime permanent est ainsi simulée avec une description rigoureuse des phénomènes de réaction-diffusion dans les films diffusionnels. Dans un deuxième temps, une installation pilote de captage du CO2 par une solution aqueuse de diéthanolamine est mise en fluvre pour la validation expérimentale du modèle. La diéthanolamine a une forte réactivité vis-à-vis du CO2; ceci engendre un profil important de concentration du soluté dans la colonne. Le pilote est dédié à la validation de modèle, il est donc équipé de plusieurs unités d'échantillonnage gaz et liquide à différentes hauteurs de garnissage. Les profils longitudinaux de la concentration du CO2 en gaz et en liquide, de l'humidité absolue et de la température liquide peuvent être établis expérimentalement et être comparés avec ceux provenant de la simulation. L'outil de simulation validé devient alors un outil de prédiction de l'efficacité des unités réelles de captage par l'absorption réactive. / The exhaust gases coming from the combustion of fossil fuels in power plants contain a wide variety of pollutants such as acid gases and can not be discharged directly into the atmosphere. These gaseous pollutants must be treated by postcombustion capture methods in absorption columns using chemical solvents. The objective is then to design a selective removal unit of acid-gases such as CO2, H2S and COS by using solvents of the alkanolamine family. This thesis develops as the first step, a non-equilibrium model, adapted to multicomponent electrolytic and reactive systems, for the representation of reactive absorption columns. The model includes modules to represent the thermodynamics on the basis of true species (ionic and molecular species), the simultaneous heat and mass transfer, and the chemical reactions. The generalized equations of Maxwell-Stefan are used to take into account the multicomponent interactions during diffusion. The reaction scheme is fully included in the liquid phase, and the chemical reactions can be kinetically controlled or at instantaneous equilibrium. The reactive separation at steady-state conditions is then simulated with a rigorous description of the reaction-diffusion phenomena in diffusional films. In the second step, a pilot plant of CO2 capture with an aqueous solution of diethanolamine is implemented for experimental validation of the model. Diethanolamine has high reactivity with respect to CO2; this generates an important concentration profile of solute in the column. The pilot plant is dedicated to model validation; it is equipped with several gas and liquid sampling units at different heights of packing. The longitudinal profiles of the gas and liquid CO2 concentration, the absolute humidity and the liquid temperature can be established experimentally and compared with those from the simulation. The validated simulation tool then becomes a tool to predict the effectiveness of real capture units by reactive absorption.

Le projet CLIC (City Lightweight Innovative Cab) dans lequel s’inscrit cette thèse de doctorat vise à développer une cabine de camion allégée sans dégrader les performances vibratoires et acoustiques. Pour cela il est nécessaire d’établir dans un premier temps un modèle de prédiction vibroacoustique du système couplé structure/espace intérieur incluant l’influence des matériaux dissipatifs (amortissement ou absorption) dans le domaine des moyennes fréquences. Les méthodes basées sur les éléments finis et les approches statistiques les plus couramment utilisées étant peu adaptées pour ce domaine de fréquence (coût de calcul important, méthodes peu flexibles), nous utiliserons le formalisme de la méthode SmEdA (Statistical modal Energy distribution Analysis). L’objectif principal de cette thèse de doctorat est dès lors, d’étendre cette méthode à la prise en compte de l’effet d’amortissement induit par des matériaux dissipatifs. La méthodologie se divise en trois étapes: 1. Les modèles équivalents des matériaux dissipatifs sont établis: (1) un modèle de plaque équivalent pour décrire la plaque amortie par un ou plusieurs patch(s) viscoélastique(s) et (2) un modèle de fluide équivalent pour décrire un matériau poreux agissant dans la cavité. 2. Chaque sous-système amorti est modélisé par éléments finis. Les méthodes MSE (Modal Strain Energy) et MSKE (Modal Strain Kinetic Energy) sont ensuite utilisées pour estimer les facteurs de perte modaux de chaque sous-système. 3. Le calcul SmEdA est effectué sur le système couplé en prenant en compte les facteurs de pertes modaux de chaque sous-système estimés dans la deuxième étape. Le point d’excitation est appliquée à la plaque, en supposant la force stationnaire et large bande. Afin de valider la méthodologie proposée un cas semi-complexe composé d’une plaque rectangulaire couplée à une cavité parallélépipédique est considéré. Ce système peut être utilisé pour étudier l’interaction vibroacoustique entre la structure de la cabine et l’intérieur de l’habitacle. Deux cas d’amortissement sont étudiés pour le système semi-complexe plaque-cavité: (1) un cas où la plaque est amortie avec un (ou plusieurs) patch(s) viscoélastique(s) et (2) un cas où un matériau poreux est placé dans la cavité. Le problème vibroacoustique est pour chaque cas modélisé suivant les trois étapes proposées et analyses dans le formalisme de la méthode SmEdA. Les résultats sont ensuite comparés au cas de référence (sans matériau dissipatif). La dernière partie de la thèse porte sur la validation expérimentale pour chaque cas test de la méthodologie numérique proposée. a mobilité d’éntrée, la puissance injectée et les énergies des sous-systèmes sont comparées aux prédictions numériques. Enfin les facteurs de pertes modaux des sous-systèmes estimés par les méthodes MSE et MSKE sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus par la méthode d’analyse modale à haute résolution (méthode ESPRIT). / The project CLIC (City Lightweight Innovative Cab) aims to develop a lighter-weighted truck that maintains NVH performances of the initial design. This PhD research is then to establish a vibroacoustic prediction model of a complex structure-bounded fluid system (cabin structure coupled to cabin space) including dissipative treatments (damping or absorbing materials) for the mid-frequency domain. Since most commonly used element based and statistical methods are not suitable for this frequency domain, a proper prediction tool, which should be flexible in modeling capabilities and feasible in computational cost, must be implemented. The SmEdA (Statistical modal Energy distribution Analysis) method is considered in this thesis to comply with these requirements. The main objective of this research is to extend this method for taking account of the damping effect induced by dissipative materials. Development and validation of the methodology are carried out. 1. Dissipative materials are represented by simplified equivalent models: (1) the equivalent single layer model for describing the plate covered with a viscoelastic layer and (2) the equivalent fluid model for describing a porous material into the cavity. 2. Each subsystem including the equivalent models of the dissipative materials is modeled with FEM(Finite Element Model). The FE matrices including the energy dissipation are then computed. The MSE (Modal Strain Energy) and MSKE (Modal Strain Kinetic Energy) methods are used to estimate the modal damping loss factor of each subsystem mode. 3. The SmEdA calculation is performed on a whole system considering the modal damping loss factors estimated in the second step for each subsystem. The power is injected into the plate at a localized point by the stationary white noise force and subsequently, the SmEdA parameters are computed. To validate the proposed methodology, laboratory test cases of the structure-fluid problem composed of a rectangular plate coupled to a parallelepipedic cavity are considered. Such system can be used to study the vibroacoustic interaction between structure and fluid. Two damped test cases of the plate-cavity system are studied: (1) a system with a viscoelastic damping pad on the plate and (2) a system with a composite fibre in the cavity. The damped test cases are modeled following the three steps and are analyzed in the framework of SmEdA. The results are then compared to the original case with no damping treatment. The last part of the thesis presents an experimental validation of the numerical computation results on each test case. Measured quantities such as input mobility, injected power and subsystem energies are compared to the numerical predictions. The modal damping loss factors of the damped subsystems estimated with MSE and MSKE methods are compared to the experimental results estimated by a high-resolution modal analysis method (ESPRIT method).

Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur, de masse et d’air au sein des matériaux poreux. Sur le volet de la modélisation, il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à l’aide d’un modèle macroscopique, qui intègre à la fois l’effet du phénomène de thermodiffusion et celui de la pression totale de l’air s’exerçant sur les parois du bâtiment. Ce modèle, dont les paramètres d’entrée sont évalués expérimentalement, utilise des moteurs de transfert continus, d’où la possibilité de traiter des problèmes de transferts dans les matériaux multicouches. Il présente aussi l’avantage d’admettre, dans certaines configurations, des solutions analytiques d’où la possibilité d’entreprendre des comparaisons avec des solutions numériques. De plus, une justification formelle des équations de bilan de ce modèle a été abordée, moyennant l’utilisation d’une approche à changement d’échelle « micro-macro ». Il s’agit d’affiner la modélisation des transferts hydriques du comportement macroscopique, en utilisant des informations issues de la microstructure. Le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique a été réalisé à l’aide de la méthode d’homogénéisation par prise de moyenne. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire. Par ailleurs, une approche expérimentale dédiée à l’évaluation du processus de la thermodiffusion dans les matériaux poreux a été entreprise. Pour cela, une expérimentation relative à la détermination de l’effet du gradient de température et de la dynamique du processus d’échange d’eau à l’intérieur des parois a été mise en place au laboratoire. L’utilisation de la plateforme expérimentale MegaCup du Technical University of Denmark a permis de collecter des données relatives à la sensibilité de l’effet de la thermodiffusion sur les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité. Une comparaison des résultats expérimentaux et numériques a ensuite été effectuée. Peu d’écarts ont été relevés. Aussi, une investigation expérimentale portant sur la contribution des infiltrations massiques sur les transferts hydriques dans les matériaux de construction a été réalisée. Moyennant le développement d’un banc d’essai, une caractérisation expérimentale du coefficient d’infiltration d’humidité a été entreprise. Ce dernier est utilisé comme paramètre d’entrée des modèles de simulation numérique. / The purpose of this thesis is to study coupled heat air and moisture transfer in porous building materials. Concerning the modeling part, the interest is to predict the hygrothermal behavior, with a macroscopic model, that incorporates simultaneously the effect of thermodiffusion phenomenon and that of total pressure on the building walls. The input parameters are evaluated experimentally using continuous driving potentials, where the ability to deal with problems of transfer in multilayer materials. In some configurations, it presents the advantage to undertake analytical solution that can be confronted with numerical solutions. Furthermore, a formal justification of balance equations of the developed model was addressed through the use of ascaling approach. Then, the modeling of macroscopic moisture transfer behavior, by implementing information from the microstructure can be refined. The transition of the microscopic to macroscopic scale was performed using the mean field homogenization. One of the difficulties with the use of this model lies in the identification of many parameters characterizing the hygrothermal properties of materials. Therefore, a part of the present work was devoted to the evaluation of the main properties of materials through the development of various experimental prototypes in the laboratory. More over, an experimental approach dedicated to the evaluation of the thermodiffusion process in porous materials has been undertaken. In this way, an experimentation concerning the determination of the temperature gradient and dynamics of water exchange process inside walls has been established. Furthermore, the use of the experimental platform MegaCup at theTechnical University of Denmark has collected data on the sensitivity of the thermodiffusion effect. Subsequently, a comparison of the experimental and the numerical results was performed. Few differences were observed. Otherwise, an experimental investigation on the contribution of the mass infiltration of water transfers in building materials was performed. A characterization of the moisture infiltration coefficient was performed through the development of the experimental test. This coefficient was used as an input parameter in the simulation models.

Le réchauffement climatique, la pollution de l'environnement et l'épuisement des énergies pétrolières ont attiré l'attention de l'humanité dans le monde entier. Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (FCHEV), utilisant l’hydrogène comme carburant et n’émettant aucune émission, sont considérés par les organismes publics et privés comme l’un des meilleurs moyens de résoudre ces problèmes. Cette thèse de doctorat considère un FCHEV avec trois sources d'énergie: pile à combustible, batterie et supercondensateur, ce qui complique l'élaboration d'une stratégie de gestion de l'énergie (EMS) pour répartir la puissance entre différentes sources d'alimentation. Parmi les méthodes de gestion de l'énergie de la littérature actuelle, la stratégie de minimisation de la consommation équivalente (ECMS) a été sélectionnée car elle permet une optimisation locale sans connaissance préalable des conditions de conduite et cela en donnant des résultats optimaux.En raison de la faible densité énergétique du supercondensateur, sa consommation équivalente d'hydrogène est négligée dans la plupart des références bibliographiques, ce qui va non seulement à l'encontre de l'objectif de minimiser la consommation totale d'hydrogène, mais accroît également la complexité du système EMS en raison du besoin d'un système EMS supplémentaire pour calculer la demande en puissance du supercondensateur. Ainsi, une stratégie ECMS à programmation quadratique séquentielle (SECMS) est proposée pour prendre en compte le coût énergétique des trois sources d’énergie dans la fonction objectif. Une stratégie de contrôle basée sur des règles (RBCS) et une stratégie hybride (HEOS) a été également conçues pour être comparée à SECMS. La dégradation des sources d'énergie représente un défi majeur pour la stabilité du système SECMS développé. Basé sur l'estimation en ligne de l'état de santé de la pile à combustible et de la batterie, le système ECMS adaptatif (AECMS) a été implémenté en ajustant le facteur équivalent et le taux de changement dynamique de la pile à combustible. Les résultats de la simulation montrent que l’AECMS peut assurer le maintien de la charge de la batterie et l’augmentation de la durabilité de la pile à combustible.Pour valider les algorithmes de gestion de l'énergie et les modèles numériques proposés, un banc d'essai expérimental a été construit autour de l'interface temps réel DSPACE. La comparaison des résultats de la simulation numérique et des résultats expérimentaux a montré que le système SECMS proposé fonctionne à un rendement maximal, que le supercondensateur fournit la puissance de pointe et que la batterie fonctionne comme un tampon d’énergie. Il a été prouvé que la négligence de la consommation d'hydrogène équivalente au supercondensateur dans l'ECMS conduit à un fonctionnement non optimal. Comparé à RBCS et HEOS, la SECMS a le moins d'hydrogène consommé et le courant de pile à combustible le plus stable. / Global warming, environment pollution and exhaustion of petroleum energies have risen their attention of the humanity over the world. Fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) taking hydrogen as fuel and have zero emission, is thought by public and private organisms as one of the best ways to solve these problems. This PhD dissertation consider a FCHEV with three power sources: fuel cell, battery and supercapacitor, which increases the difficult to design an energy management strategy (EMS) to split the power between the different power sources.Among the EMS available in the current literature, the Equivalent consumption minimization strategy (ECMS) was selected because it allows a local optimization without rely on prior knowledge of driving condition while giving optimal results.Due to low energy density of supercapacitor, its equivalent hydrogen consumption is neglected in most bibliographic references, which not only counter to the aim of minimizing whole hydrogen consumption but also increase the complication of EMS due to the need of an additional EMS to calculate supercapacitor power demand. Thus, a sequential quadratic programming ECMS (SECMS) strategy is proposed to consider energy cost of all three power sources into the objective function. A rule based control strategy (RBCS) and hybrid strategy (HEOS) are also designed in order to to be compared with SECMS. Degradation of energy sources represents a major challenge for the stability of the developed SECMS system. So, based on online estimating state of heath of fuel cell and battery, an adaptive ECMS (AECMS) has been designed through adjusting the equivalent factor and dynamical change rate of fuel cell. The simulation results show that the AECMS can ensure the charge sustenance of battery and the increase of fuel cell durability.To validate the proposed energy management algorithms and the numerical models an exerimental test bench has been built around the real time interface DSPACE. The comparison of the simulation and experimental results showed that the proposed SECMS is operated at around maximum efficiency, supercapacitor supplies peak power, battery works as the energy buffer. It has been proved that the neglect of supercapacitor equivalent hydrogen consumption in ECMS leads to not optimal operation. Compared with RBCS and HEOS, SECMS has least hydrogen consumption and most stable fuel cell current.

En el futuro, los dispositivos digitales formarán parte del entorno en el que las personas se desenvuelvan, participarán en nuestros objetivos y necesidades y nos ayudarán a "hacer más haciendo menos". A través de los dispositivos portátiles o aquellos que estén embebidos a nuestro alrededor el usuario será capaz de interactuar con el futuro universo de servicios e infraestructuras ubicuas. El principal paradigma que se seguirá se basa en que este universo estará centrado en el usuario ya que éste demandará los servicios que más le convengan en cualquier momento y lugar, todo ello preservando nuestra privacidad y seguridad. Este nuevo concepto no sólo se aplica a un entorno de ocio sino que en el campo profesional las redes inalámbricas de próxima generación permitirán incrementar nuestra productividad, reduciendo el peso de tareas repetitivas, poniendo a nuestra disposición la información relevante en el momento adecuado y según sean las necesidades particulares del usuario en ese momento y permitiéndonos trabajar con otras personas independientemente de donde se encuentren. En particular, se intuye que las redes de próxima generación se diseñen de forma que aglutinen todos los servicios disponibles a través de los diferentes sistemas que existan de forma que las posibles deficiencias de alguno de ellos se vean compensadas por otro. Lo que se pretende conseguir es que el usuario pueda disfrutar en todo momento y lugar de los servicios que desee sin que ello suponga un esfuerzo.Este concepto implica diferentes retos tecnológicos y la integración de múltiples sistemas. Dentro de estos retos tecnológicos esta Tesis aborda los siguientes: soporte de la heterogeneidad en lo referente a las tecnologías de acceso radio que existen y que eventualmente aparecerán en el futuro y que coexistirán en un mismo terminal; desarrollo de técnicas de optimización basadas en la cooperación entre diferentes capas de la pila de protocolos; implementación de estrategias de selección de la red que mejor pueda soportar un determinado servicio ante la posibilidad de utilización de múltiples tecnologías de acceso; optimización del uso de recursos energéticos en las comunicaciones dentro de la red; protección de la privacidad y la seguridad de las comunicaciones personales del usuario.Desde el punto de vista de las aportaciones, en esta Tesis se ha contribuido mediante el diseño, implementación y validación de una serie de técnicas de optimización de las comunicaciones en redes de dispositivos móviles basadas en información intercapa. Para ello, se propone una arquitectura de protocolos novedosa que permite soportar la heterogeneidad en términos de tecnologías de acceso dentro del mismo terminal. El concepto de aislar las capas superiores de la pila de protocolos de las tecnologías de acceso subyacentes se consigue a través de una Capa de Convergencia Universal (UCL, en sus siglas en inglés). El diseño y la especificación esta arquitectura así como de los bloques funcionales que la componen son la primera contribución que se hace en esta Tesis. La UCL supone el marco en el que el resto de técnicas de optimización que se presentan han sido desarrolladas.Igualmente, se desarrollan una serie de técnicas basadas en optimización intercapa que permiten una gestión eficiente de los recursos disponibles así como una mejora en el uso de la energía. Finalmente, se implementan los mecanismos de autenticación y encriptación que permiten asegurar las comunicaciones dentro de la red. El diseño, implementación y validación de estos mecanismos supone la segunda contribución en esta Tesis. El empleo de técnicas de optimización basadas en información procedentes de diferentes capas de la pila de protocolos es la base de los dos mecanismos que se han propuesto. El primero de ellos se basa en la selección dinámica de la tecnología de acceso a utilizar para obtener un rendimiento óptimo del sistema. La segunda estrategia de optimización consiste en el uso simultáneo de varias tecnologías de acceso para conseguir una mejora en las prestaciones de la red. Aparte de la optimización en cuanto al rendimiento en términos de ancho de banda y calidad de servicio, se ha evaluado la mejora de la eficiencia energética conseguida gracias a las soluciones propuestas. Los resultados obtenidos permiten concluir que las propuestas realizadas en el marco de esta Tesis representan una optimización tanto en parámetros de calidad de servicio como en la eficiencia energética del sistema.El mayor avance respecto del estado del arte se centra en habilitar al usuario para que utilice de manera transparente, eficiente y segura los dispositivos que tiene a su alrededor independientemente de la heterogeneidad que presenten y sin requerir de un conocimiento intensivo de la tecnología. El usuario podrá comunicarse haciendo un uso óptimo de los recursos a su alcance sin preocuparse de tener que gestionarlos él mismo. / In the future, computation will be human-centred: it will enter the human world, handling our goals and needs and helping us to do more by doing less. Next generation wireless systems should provide the user access with a broad range of services in a transparent way, independently of user location, by making the technology invisible and embedded in the natural surroundings. New systems will boost our productivity. They will help us automate repetitive human tasks, control a wide range of physical devices in our environment, find the information we need (when we need it, without obliging us to examine thousands of search-engine hits), and enable us to work together with other people through space and time.The achievement of this paradigm led to the identification of a set of optimizations in intra-cluster communications that were needed to fully support it. Firstly, heterogeneity will be a fundamental characteristic of next generation wireless communications since more and more personal devices are equipped with multiple network access technologies so that the user can have access to the different services that the different operational environments provide. However, Next Generation Networks (NGN) will comprise such a diverse number of possibilities that the users cannot be expected to take technical decisions on their own. It is necessary to provide mechanisms that intelligently select the optimal available access network based on context information such as user preferences, power consumption, link quality, etc. Finally, users need to trust the system that supports their personal communications. Within a personal network the most confidential information might be exchanged and the user need to be sure that this will never be disclosed. If the system fails in these features, NGN in general and PNs in particular will never happen.This Thesis has contributed with the development of the mechanisms that tackle the abovementioned challenges. The design and specification of a convergence framework, the so-called Universal Convergence Layer (UCL), has been the first topic addressed. This framework aims to manage all the network access interfaces with which a device is equipped so that they can be transparently used by upper layers as if the node were equipped with a single access technology. On the other hand, the UCL enables the cross-layer optimization paradigm. Its privileged location within the protocol stack gives the UCL the possibility to support both bottom-up and top-down information flow. In this sense, two different solutions based on cross-layer optimization have been proposed to enhance the performance and energy efficiency of the system. The first one deals with the selection at run-time of the most appropriate wireless interface to be used in order to improve the system performance. The second one leverages the striping concept in order to exploit all the network interfaces available. Finally, the UCL also plays a key role in security issues as an enabler for providing link-layer security mechanisms that ensure data confidentiality and integrity, authenticity and non-repudiation. The techniques implemented for node authentication combined with traffic encryption in ad-hoc networks have been thoroughly assessed and have demonstrated their appropriateness.The biggest advance in the state-of-the-art comes from enabling the user to have easy, affordable and seamless control of their devices over heterogeneous communications networks. They are empowered to communicate efficiently and securely with their selected interaction groups, no matter what kind of access is available for them to use.

Implanter une machine électrique dans un véhicule hybride pose avant tout des problèmes d’encombrement. Sous-dimensionner la machine semble légitime compte tenu de l’usage qui en est fait sur véhicule. Par contre, cela suppose que les aspects thermiques soient pris en compte non seulement lors de l’utilisation, mais aussi lors de la conception de la machine. Le phénomène majeur limitant la densité de puissance massique des machines électriques est l’échauffement interne des bobines et des aimants. La modélisation thermique de la machine est complexe compte tenu de la diversité des sources de chaleur et de la coexistence de différents modes de transferts thermiques : conduction dans la matière, convection avec l’eau de refroidissement, conduction, convection et rayonnement dans l’entrefer. En termes de géométrie, si une première approche peut être réalisée en ne considérant que des flux de chaleur radiaux, la composante axiale doit nécessairement être prise en compte dès lors qu’on veut tenir compte aussi des extrémités de machine, et notamment de la chaleur produite par les roulements et les têtes de bobines. Ainsi pour pouvoir analyser pertinemment les transferts thermiques dans la machine, des méthodes numériques de type CFD ont été utilisées pour caractériser le transfert thermique par convection. La caractérisation des échanges thermiques par convection naturelle et forcée a été réalisée à l’intérieur d’une machine synchrone à aimants permanents internes (MAPI). Des relations empiriques ont été proposées afin de prendre en compte le couplage entre la thermique et l’aérodynamique dans les cavités des machines électriques totalement fermées. Afin de valider la pertinence des modèles numériques dans le cadre de ce travail, des mesures thermiques à l’aide des moyens d’essais de l’UTC ont été réalisées. Les résultats de cette étude sont utilisés pour construire des circuits thermiques équivalents qui prennent en compte les phénomènes thermiques complexes dans les machines électriques fermées utilisées dans les véhicules hybrides et électriques. Ces recommandations de conception permettront l’optimisation de l’effort investi pour le refroidissement de la machine électrique dans ses différentes phases de fonctionnement. / The integration of an electrical machine into modern hybrid vehicles is associated with new technical constraints such as the integrability into small volume without losing certainly in performance. Therefore, the development of compacter electrical machines is a well-founded argument for car manufacturers as well as electrical machine designers. On the other hand, this finding assumes that the thermal aspects are undertaken not only during the operation of the electrical machine, but also during the design process. The internal heat generated in different areas impacts strongly the power density and the magnet health which deeply reduce the electrical machine reliability. Heat transfer modeling inside electrical machines is a tricky task because of the strong coupling between the different physics governing their operations. Indeed, the generated losses spread inside the electrical machine through three heat transfer modes which are: conduction (heat diffusion), convection(heat transport) and radiation (heat scattering). In terms of geometry, if a first approach can be carried out by considering only radial heat fluxes, the axially-transferred heat must be undertaken when it is also necessary to consider end caps effects, and particularly the heat released by the bearings. In order to carry out relevantly the thermal analysis of a permanent magnets synchronous machine, CFD based methods are used to characterize the convective heat transfer inside this machine over a large operating range. Both natural and forced convection are analyzed and the corresponding heat transfer coefficients are numerically-estimated. Empirical equations are proposed in order to take into account the coupling between thermal and fluid dynamics inside the cavities of the studied totally-enclosed machine. These correlations are integrated then into a detailed and reduced thermal network. Experimental tests are carried out using a test bench in order to measure temperature distribution in different areas of the electrical machine. Afterward, a comparison between estimated and measured temperatures shows that the results of the numerically-enhanced thermal network are in a good agreement with measurements. Thus, the proposed recommendations based on CFD modeling allow the convective heat transfer to be characterize quickly and precisely. These correlations are useful for upcoming studies dealing with convection inside automotive electrical machines as well as high speed electrical machines.