La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl’objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d’un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s’appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l’approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l’intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l’analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d’une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d’un moteur segmenté.L’ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplés. / Characterization and simulation of internaI flow within the solid rocket motors, considering the physicalmechanisms strongly coupled, are the main focus of this thesis objective. In this context, the conjunctionbetween fluid/regression surface/fluid coupling structure imposed deploy c1ean during the development ofnumerical modeling strategy. Indeed, the model incorporates treatment coupled with an immersed boundarytracking moving boundary in order to realize the tremendous internai geometric variation experienced during ashot. Fluid side, an automatic mesh is required and the management of the latter is based on a recursivehierarchical structure development with type 2" tree. Particular attention was paid to the solver itself with anexplicit approach to time and a numerical scheme based on the approach of Roe with flow limiter in the secondorder. Tests cases were conducted to validate the sol ver and different boundary conditions introduced, inc1udingspecific conditions developed for the purpose of simulation. The first results emphasize the interest of theproposed and unless our error model, for the first time, the analysis of the sources responsible vortex instabilitiesin these engines has been studied by incorporating the effects of continuous change in geometry. Finally, thefeasibility of a strong interaction between fluid and solid solver was conducted on a simplified model of a multiengine.AlI the developments allows access to complex mechanisms coupled and strong interactions in solidrocket motors and off ers new insights into the characterization of strongly coupled mechanisms.

La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl'objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d'un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s'appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l'approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l'intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l'analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d'une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d'un moteur segmenté.L'ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplés.

Au moins 30% de l'énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. L'intérêt des constructeurs pour les systèmes de récupération de chaleur bases sur le cycle thermodynamique de Rankine est justifié par des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%. L'ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion des procédés Rankine pour des applications ≪ mobiles ≫. Ce manuscrit s'appuie sur trois cas d'étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion hybride Diesel électrique. Pour cela, des approches de l'automatique à base de modèle ont été développées. Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l'asservissement de la température et de la pression en sortie d'évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d'énergie sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques. La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d'un véhicule est ensuite abordée. Il s'agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser l'efficacité énergétique d'un véhicule équipé d'un système de récupération d'énergie par cycle de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l'optimisation dynamique temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l'optimisation statique du système habituellement employée dans la littérature / More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases. The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justified by announced reductions in fuel consumption ranging from 5 and 10% depending on the system and the driving cycle. The aim of this thesis is to help remove the main barriers associated with supervising and controlling Rankine processes for ≪ mobile ≫ applications. This dissertation is based on three study cases, each corresponding to a pilot process installed in engine test benches at IFP Energies nouvelles (IFPEN). These are applications to be integrated respectively on board light-duty vehicles with spark-ignition engine, heavy-duty trucks and trains with Diesel-electric propulsion. An original nonlinear (model-based) control law for the temperature and the pressure tracking at the evaporator outlet is proposed. It is shown experimentally that the system can be maintained under conditions allowing continuous energy recovery, even during highly transient road cycles. Then the supervision of Rankine systems is addressed, resulting in the choice of optimal set-points (in term of energy management) for the low-level controller. An optimal control problem is formulated, allowing online implementation via dynamic real-time optimization.The proposed approach is validated on a realistic simulator, showing significant benefits in the amount of energy recovered when compared with the classical (static) approach found in Rankine cycle literature