Este texto trata da estimação de espectro direcional de ondas a partir de movimentos de primeira ordem de sistemas oceânicos estacionários utilizando um método de inferência bayesiano. Após descrição do método e discutidas suas principais fontes de incertezas, este foi validado experimentalmente através de ensaios com dois tipos de embarcações para ondas irregulares e mares bimodais, e verificado com dados de monitoração em escala real. Uma comparação preliminar com dados provenientes de um radar próximo ao sistema monitorado também foi feita. Com base nestes resultados, discute-se a eficiência do método e suas limitações. / This text is about estimating directional wave spectra based on first order motions of stationary systems by means of a bayesian inference method. After being described the method and its main sources of uncertainties discussed, an experimental validation was carried out with two different types of hulls for irregular waves and bimodal seas, with a posterior verification using data from a real scale monitoring campaign. Also, a preliminary comparison with data from a radar in the vicinities of the monitored system was made. Based on those results, the methods efficiency is discussed, along with its limitations.

<div>Pressure compensated vane pump systems are an attractive solution in many automotive applications to supply hydraulic power required for cooling, lubrication, and actuation of control elements such as transmission clutches. These systems feature variable displacement vane pumps which offer reductions in parasitic loads on the engine and in wasted hydraulic energy at high engine speeds when compared to traditional fixed displacement supply pumps. However, oscillations in a currently available pressure compensation system limits the achievable performance and therefore the application of this solution.</div><div>This dissertation presents the development and experimental validation of a lumped parameter model in MATLAB/Simulink of a current pressure compensated vane pump system for an automatic transmission oil supply application. An analysis of the performance of this system using the validated pump model and a developed black box control system model reveals that the low cost solenoid valve present in the control circuit to set the regulation pressure limits the achievable bandwidth to 1.84Hz and causes a significant time delay in the response. To address this limitation, as well as eliminate a non-minimum phase zero introduced by the case study’s control circuit architecture, an actively controlled electrohydraulic pressure compensation system is proposed. This proposed system is explored both experimentally and in simulation making use of the accuracy of the presented variable displacement vane pump model. Significant improvements in the achievable system performance are shown with both a simple PI control law (47% reduction in the pressure response time) and an advanced cascaded model following controller based on feedback linearization (58% reduction in the pressure response time). An analysis of these results reveals that implementing the proposed control system with a 5(L/min)/bar proportional valve with a 20Hz at ±100% (60Hz at ±50%) amplitude bandwidth and a PI control law is an economical path to achieving the best performance improvements for this automotive application.</div>

Suite à la stratégie d’électrification poursuivie dans le domaine des véhicules terrestres, l’industrie aéronautique s’oriente également vers l’introduction de la propulsion électrique. L’hybridation est le premier pas vers un aéronef plus électrique. L’objectif principal de cette thèse est de développer un outil informatique permettant de pré-dimensionner des machines électriques conventionnelles de différentes typologies susceptibles d’être utilisées dans le cadre du projet d’hybridation et de modéliser les comportements magnétique et thermique de ces machines.Après une étude bibliographique sur le pré-dimensionnement et la modélisation électromagnétique et thermique des machines électriques conventionnelles, des modèles (semi-)analytiques basés sur les méthodes des circuits équivalents magnétique et thermique ont été établis. La validation des modèles proposés a été menée en comparant les résultats obtenus avec des données issues de la littérature, des résultats issus de simulations numériques par éléments finis ou à des mesures expérimentales réalisées sur des machines prototypes. Une attention toute particulière a été portée au couplage des analyses magnétique et thermique. Des études de sensibilité ont permis de déterminée les limites d’utilisation de l’outil développé. / Inspired by the strategy of electrification pioneered in the automobile industry, the aeronautics sector tends as well towards the implement of the electrical propulsion. The hybridisation is the first step in the direction of a completely electrical aircraft. The main goal of this thesis is to develop a computer-based tool permitting to pre-design and model electromagnetic and thermal behaviour of the conventional electrical machines of different typologies suitable for use in the scope of hybridisation project.Basing on a general state of art on the pre-design and electromagnetic and thermal models of the conventional electrical machines, the (semi-)analytical models reposed on magnetic and thermal equivalent circuit methods have been developed. The proposed models have been validated by comparing the obtained results with the results from the literature, the results of numerical analysis or with the results of experimental tests carried out on different machine-prototypes. Special attention has been paid to the coupling of magnetic and thermal analysis. Different sensibility studies permitted to define the application limits of the developed tool.

Cette étude porte sur la co-électrolyse de H2O et CO2 à 800°C dans une cellule à oxydessolides. Un modèle détaillé a été développé afin de rendre compte des phénomènesélectrochimiques, chimiques, thermiques et de transferts de matière, et introduisant unereprésentation macroscopique du mécanisme de co-électrolyse. Il permet d’estimer lesperformances et les compositions en sortie de cellule. Un protocole expérimental, visant àvalider les principales hypothèses de ce modèle, a été appliqué à deux types de cellulecommerciale à cathode support. À partir de courbes de polarisations, obtenues en électrolyseet en co-électrolyse, ainsi que d’analyses gaz, les densités de courant d’échange, illustrant lescinétiques électrochimiques, ont pu être estimées, et le mécanisme proposé a pu être validé.L’analyse des simulations a permis l’identification des processus limitant la co-électrolyse, laproposition de voies d’optimisation et l’établissement des cartographies de fonctionnement. / This work investigates the high temperature co-electrolysis of H2O and CO2 in Solid OxideCells. A detailed model was developed, encompassing electrochemical, chemical, thermal andmass transfer phenomena, and introducing a macroscopic representation of the co-electrolysismechanism. This model allows predicting the performances and outlet compositions in singlecell and stack environments. An experimental validation protocol was implemented on twotypes of commercial Cathode Supported Cells, ranging from polarization curves, obtained insingle and co-electrolysis modes, to micro gas analyses. These tests aimed both at determiningthe different exchange current densities, representative of the kinetics of electrochemicalreactions, and validating the simulated cell global behavior and mechanism proposed.Comprehensive analysis of the simulations led to the identification of limiting processes andpaths for optimization, as well as to the establishment of co-electrolysis operating maps.

Este texto trata da estimação de espectro direcional de ondas a partir de movimentos de primeira ordem de sistemas oceânicos estacionários utilizando um método de inferência bayesiano. Após descrição do método e discutidas suas principais fontes de incertezas, este foi validado experimentalmente através de ensaios com dois tipos de embarcações para ondas irregulares e mares bimodais, e verificado com dados de monitoração em escala real. Uma comparação preliminar com dados provenientes de um radar próximo ao sistema monitorado também foi feita. Com base nestes resultados, discute-se a eficiência do método e suas limitações. / This text is about estimating directional wave spectra based on first order motions of stationary systems by means of a bayesian inference method. After being described the method and its main sources of uncertainties discussed, an experimental validation was carried out with two different types of hulls for irregular waves and bimodal seas, with a posterior verification using data from a real scale monitoring campaign. Also, a preliminary comparison with data from a radar in the vicinities of the monitored system was made. Based on those results, the methods efficiency is discussed, along with its limitations.

Le soudage par friction malaxage « Friction Stir Welding » est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature. / The friction stir welding is a process for assembling a semisolid phase parts. The weld seam is achieved by a revolution tool consists of the shoulder and the pin. This process converts the mechanical energy into heat energy by friction of the tool with the parts to be joined.This thesis is a contribution to the experimental modeling and numerical simulation of this process in order to provide models to assist in understanding the thermal and mechanical phenomena and interactions between the welding parameters. Experimental studies are used for the characterization of the material flow with markers and to optimize the process parameters. The effect of tool geometry (cylindrical pin or tool with flats) on the material flow during welding is studied. To represent the flow geometry and predict the thermal and mechanical fields in the steady state, CFD models are adopted in this thesis. Two thermomechanical models are developed: (1) first numerical model is used to study the thermomechanical behavior and flow during FSW. FLUENT is employed to solve the coupled thermal and fluid flow equations. A behavior law depending on temperature and strain rate is used and a discussion on the contact conditions between the tool and the workpieces is presented. The results of the flow are compared with those obtained experimentally in the followed case of trajectories copper particles. (2) A second original model based on iterative procedure is implemented to welding large plates. To take account the correctly thermal boundary conditions, a thermomechanical model built around the welding tool and coupled with a thermal model for the rest of the area studied. This model allows taking into account the transfer of heat in the tool and in the backing-bar. Thermal cycles and the viscosity range for two aluminum alloys (AA7020-T6 and AA6061-T3) are successfully analyzed and compared with experimental results. The loads and torque welding are calculated numerically and validated in the literature.

Le travail présenté concerne le développement d’un cadre d’applications pour le traitement d’écoulements dispersés, tenant compte de l’effet de la coagulation sur la distribution des tailles des particules. Nous explorons également quelques techniques de validation expérimentale. Les modèles sont valables pour un écoulement incompressible et isotherme, avec des particules qui ont un temps de relaxation faible en comparaison à celui du fluide. Pour la phase dispersée, une méthode eulérienne est utilisée, ce qui permet d’extrapoler la vitesse des particules de celle du fluide. La distribution des tailles est modélisée à l’aide du « Direct Quadrature Method of Moments ». Cette approche permet de résoudre des équations de transport pour les poids et les abscisses d’une approximation de la distribution à l’aide des fonctions Dirac delta. L’effet de la coagulation est pris en compte à l’aide d’un noyau de collisions qui utilise la vitesse instantanée du fluide. Toutes les équations de transport sont résolues à l’aide de la méthode des éléments finis. Pour le fluide, les stabilisations « Streamline Upwind » et « Pressure Stabilized Petrov-Galerkin » sont utilisées ensemble avec une stabilisation grad-div. Afin de limiter le temps de calcul pour une simulation directe, une formulation utilisant un traitement explicite des termes d’advection est proposée. Avec l’apparition de gradients élevés, les équations de transport pour les particules nécessitent une stabilisation supplémentaire. Tout le travail est disponible dans le projet de logiciel libre Coolfluid 3, en utilisant un langage spécifique permettant une implémentation directe pour des modèles en éléments finis. Le code qui en résulte ressemble à la forme variationnelle des équations utilisées. Le programme est générique en termes de dimensions spatiales et de type d’éléments. Une première validation utilise des résultats trouvés dans la littérature comme référence. La précision des méthodes est vérifiée à l’aide des vortices Taylor-Green. Pour l’écoulement et les concentrations des particules, une simulation directe d’un canal turbulent est effectuée. Le noyau de coagulation est vérifié à l’aide de particules de différentes tailles qui tombent à travers un vortex Burgers. Finalement, quelques techniques de validation expérimentale sont utilisées dans une cellule d’essai. La technique « Particle Image Velocimetry » est utilisée pour les vitesses du fluide, tandis que la distribution des tailles est mesurée à l’aide du « Phase Doppler Anemometry » et « Multiple Wavelength Light Extinction ». La technique d’extinction de lumière est capable de produire des distributions des tailles qui peuvent être comparées facilement avec les résultats numériques. / The present work deals with the development of a framework for the modeling of dispersed flows, including the effect of coagulation on the particle size distribution. We also explore some techniques for experimental validation. Models are developed for incompressible, isothermal flow containing particles that have a small relaxation time compared to the fluid time scale. For the dispersed phase, an equilibrium Eulerian approach is used, extrapolating the particle velocity from the fluid velocity. The size distribution is modeled using the Direct Quadrature Method of Moments. In practice, this results in solving transport equations for the weights and abscissa of a Dirac delta approximation of the size distribution. To model the effect of coagulation, a collision kernel that makes use of the resolved instantaneous velocity is developed. All transport equations are solved using the Finite Element Method. For the fluid, the Streamline Upwind and Pressure Stabilized Petrov-Galerkin method are used, with additional grad-div stabilization. To decrease the solution time for DNS, a segregated formulation with an explicit advection term is proposed. The particle transport equations require cross-wind diffusion in addition to the streamline upwind stabilization when large gradients occur. All work is available in the open source Coolfluid 3 framework, using an Embedded Domain Specific Language we developed for the implementation of finite element models. The resulting code closely resembles the variational form of the equations and is generic in terms of element type and the number of spatial dimensions. A first validation uses literature results as reference. Correctness and accuracy of the methods are verified using the Taylor-Green vortex flow. For the fluid and particle concentration, direct numerical simulation of a turbulent channel flow is performed. The particle coagulation kernel is tested using particles of different sizes falling through a Burgers vortex. Finally, some experimental validation techniques are used on a small test chamber. Particle image velocimetry is used for the fluid motion, while the size distributions are measured using Phase Doppler Anemometry and Multiple Wavelength Light Extinction. The light extinction technique was found to produce size distributions that could provide valuable reference data for our particle model.

La quasi-totalité des études de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour les applications aux véhicules hybrides concernent les performances uniquement sur quelques points particuliers d’un cycle de fonctionnement du véhicule (le point de base, le point à grande vitesse ou le point le plus sollicité). Cependant, ces machines électriques fonctionnent souvent à différents couples et à différentes vitesses. Cette thèse s’intéresse donc à l’étude des performances de MSAP sur l’ensemble d’un cycle de fonctionnement en vue de les optimiser sur cycle. Durant cette thèse, l’auteur a contribué à développer les modèles de couple, de défluxage, de pertes cuivre et de pertes magnétiques et les méthodes de calcul de ces pertes à vide et en charge pour les quatre MSAP dont trois machines à concentration de flux et une machine à aimants en surface du rotor et pour trois cycles de fonctionnement : NEDC, Artemis-Urbain et Artemis-Routier. Une validation expérimentale de ces modèles a été effectuée sur un banc d’essai moteur avec deux prototypes de MSAP. Ensuite, les MSAP ont été dimensionnées en vue d’une minimisation des pertes sur cycle et du courant efficace du point de base. Cette combinaison a pour but d’augmenter le rendement de la machine électrique et de minimiser la dimension de l’onduleur de tension associée. Ce problème d’optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. Les impacts des modèles de pertes (à vide et en charge) sur l’optimisation sur cycle des machines sont étudiés et l’intérêt de chaque modèle est présenté. Les modèles et méthodes de calcul proposés peuvent être appliqués à tous les cycles de fonctionnement, à différentes MSAP et à différentes applications. / Almost all studies of permanent magnet synchronous machines (PMSM) for for hybrid vehicle applications relate to their performances on a specific point of a driving cycle of the vehicle (the base point, the point at high speed or the most used point). However, these machines often operate at different torques and at different speeds. This thesis studies therefore PMSM performances in order to optimize during an entire driving cycle. In this thesis, the author contributed to develop models of torque, field weakening, copper losses and iron losses and methods of calculating these losses at no-load and at load for four MSAP (three concentrated flux machine and a surface mounted PMSM) and for three driving cycles (New Eurepean Driving Cycle, Artemis-Urban and Artemis-Road). An experimental validation of these models was realized on a test bench with two prototypes of MSAP. Then, the MSAP were sized for a minimization of average power losses during the cycle and of the RMS current at the base point. This combination is designed to increase the efficiency of the electrical machine and minimize the size of the associated voltage inverter. This problem of multi-objective optimization was performed using the genetic algorithm, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, a Pareto front of optimal solutions can be derived. The impacts of loss models (at no-load and at load) on the PMSM optimization during the cycle are studied and the interest of each model is presented. Models and calculation methods proposed in this thesis can be applied to all cycles, at different MSAP and for other applications.

V rámci této práce byl vyvinut komplexní simulační nástroj, vycházející z výpočtového modelování fyzikálních a chemických dějů, který je doplněn vhodnými matematickými postupy. Výsledný software je schopen stanovit ztrátový výkon sady pístních kroužků pomocí účinků klíčových mechanismů a jejich vzájemné interakce při standardním provozu pístních kroužků. Simulační výstupy byly navrženy v souladu se zájmy průmyslové praxe, např. určení objemového toku plynů pístní skupinou, ztrátové výkony vlivem tření a spotřeba oleje, která je ovlivněna sadou pístních kroužků. Při vývoji simulačního modelu byly technické experimenty vykonány na tříválcovém zážehovém motoru za účelem získání vstupních dat a ověření výsledků. Možnosti navrženého simulačního nástroje jsou na tomto motoru dále demonstrovány v podobě parametrických studií, využitelných zejména při návrhovém procesu. Cílem dizertační práce bylo zaplnit mezeru ve výzkumné oblasti simulačních nástrojů, které mohou účinně propojit výpočtové modelování třecích ztrát a současně i spotřeby oleje, a podpořit tak výrobce pístních kroužků a vývojová oddělení spalovacích motorů.

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