Une recherche bibliographique a permis de faire un état de l'art, d'une part des différents principespermettant de détecter le givre et d'autre part de l'application de matériaux magnétostrictifs à la mesure defaibles masses. La faisabilité et l'applicabilité de certains alliages amorphes et nanocristallins à la réalisationde capteurs de givre ont été démontrées.Suite à cet état de l'art, le principe de détection par résonateur magnétostrictif qui a été retenu, a faitl'objet d'une étude approfondie aboutissant à l'établissement d'un nouveau modèle analytique complet desrésonateurs magnétostrictifs sous forme de ruban. L'intérêt principal de ce modèle est la prise en compte depertes mécaniques et l'expression finale contenant la fonction de transfert complète entre les entrées et sortiesélectriques. Ainsi, la réponse en fréquence du modèle est vraiment similaire aux réponses expérimentales. Deplus, il apporte une explication aux retournements observés, pour certains harmoniques entre les fréquencesde résonance et d'antirésonance, pour lesquels l'origine n'avait pu être clairement identifiée.La mise en œuvre de ce nouveau modèle pour la caractérisation de rubans amorphes a montré qu'ilest possible de déterminer le coefficient de couplage à partir de la réponse en fréquence ainsi que le moduled'Young ou l'amortissement. On a donc pu tracer pour des rubans de 2605SC et 2826MB les évolutions avecle champ de polarisation des paramètres du résonateur. De l'évolution de ces paramètres, il est possible dereconstruire les courbes de magnétostriction d'un ruban, ce qui constitue actuellement une méthode decaractérisation.La mise en œuvre d'un prototype a permis de détecter du givre et ainsi de confirmer la faisabilité dela détection de givrage par ce moyen, mais les essais préliminaires qui sont très prometteurs n'ont puapporter une réponse quantitative du capteur soumis à un dépôt de givre. Des mesures utilisant des enceintesde givrage contrôlées en température et en hygrométrie constituent une première perspective. Par ailleurs, lesrésultats présentés dans ce manuscrit s'avèrent une bonne base pour la valorisation de ces travaux,notamment pour la réalisation d'un prototype de capteur, son conditionnement et sa mise en œuvre dans devraies conditions de givrage.

Une recherche bibliographique a permis de faire un état de l'art, d'une part des différents principespermettant de détecter le givre et d'autre part de l'application de matériaux magnétostrictifs à la mesure defaibles masses. La faisabilité et l’applicabilité de certains alliages amorphes et nanocristallins à la réalisationde capteurs de givre ont été démontrées.Suite à cet état de l'art, le principe de détection par résonateur magnétostrictif qui a été retenu, a faitl'objet d'une étude approfondie aboutissant à l'établissement d'un nouveau modèle analytique complet desrésonateurs magnétostrictifs sous forme de ruban. L'intérêt principal de ce modèle est la prise en compte depertes mécaniques et l'expression finale contenant la fonction de transfert complète entre les entrées et sortiesélectriques. Ainsi, la réponse en fréquence du modèle est vraiment similaire aux réponses expérimentales. Deplus, il apporte une explication aux retournements observés, pour certains harmoniques entre les fréquencesde résonance et d'antirésonance, pour lesquels l’origine n’avait pu être clairement identifiée.La mise en œuvre de ce nouveau modèle pour la caractérisation de rubans amorphes a montré qu'ilest possible de déterminer le coefficient de couplage à partir de la réponse en fréquence ainsi que le moduled'Young ou l'amortissement. On a donc pu tracer pour des rubans de 2605SC et 2826MB les évolutions avecle champ de polarisation des paramètres du résonateur. De l'évolution de ces paramètres, il est possible dereconstruire les courbes de magnétostriction d'un ruban, ce qui constitue actuellement une méthode decaractérisation.La mise en œuvre d'un prototype a permis de détecter du givre et ainsi de confirmer la faisabilité dela détection de givrage par ce moyen, mais les essais préliminaires qui sont très prometteurs n’ont puapporter une réponse quantitative du capteur soumis à un dépôt de givre. Des mesures utilisant des enceintesde givrage contrôlées en température et en hygrométrie constituent une première perspective. Par ailleurs, lesrésultats présentés dans ce manuscrit s’avèrent une bonne base pour la valorisation de ces travaux,notamment pour la réalisation d’un prototype de capteur, son conditionnement et sa mise en œuvre dans devraies conditions de givrage. / A review of literature allowed first to a state of the art of the different routes to detect the ice on theone hand and of the use of magnetostrictive materials to measure small masses. Both the feasibility andapplicability of metglasses and nanocrystalline alloys to frost resonating sensors have been clearlyestablished.The principle of magnetostrictive sensing resonator was developed and a new comprehensiveanalytical model of ribbonshaped magnetostrictive resonators was successfully achieved. The present modelincludes mechanical losses and the final expression contains the complete transfer function between the inputand output powers. Thus, the predicted frequency response of the model fairly fits to the experimental one.In addition, it clearly explains henceforth the reversals of some harmonic frequencies which occur from theresonance and antiresonance phenomena.The implementation of this new model for the characterization of amorphous ribbons showed thusthat it is now possible to well estimate the coupling coefficient from the frequency response and the Young'smodulus or damping. So we could draw developments with the bias field parameters of the resonator for2826MB and 2605SC amorphous ribbons. The evolution of these parameters allows the magnetostrictioncurves to be well established, that consists in a new characterization method.The implementation of a first prototype permits to detect frost, confirming thus the feasibility ofdetecting icing this way, but these promising preliminary tests could not bring quantitative data to model thefrost deposition on a resonating sensor. Measurements using pregnant icing controlled temperature andhumidity are a first perspective. Finally, it is important to emphasize that the present results appear as a goodsupport for the valorization of this study, especially to elaborate of a prototype sensor based onmagnetostrictive ribbons, its packaging and its implementation in in situ icing conditions.

Le but est de comprendre le phénomène de givrage. Dans certains cas le dépôt de givre est fortement discontinu et a la forme des queues de homard. Le mécanisme de la formation de ce type de givre est multiphysique. Les études expérimentales menées par la NASA sur des NACA et par l'ONERA sur un cylindre permettent de comprendre de façon microscopique le givre en queue de homard. Ces études ont permis de visualiser, d'analyser et de proposer un modèle microphysique de l'accrétion. Elles ont montré que la géométrie joue un rôle dans ce type de formation car elle affecte les directions de ruissellement. Plusieurs approches microphysiques sont proposées consistant à reproduire d'une façon qualitative la variation du coefficient d'échange à la surface du cylindre recouvert de givre. Ces tests de simulation ont aboutis à des résultats bien que qualitatif, très encourageant pour la suite. En effet, des discontinuités visibles s'apparentent aux queues de homard observées expérimentalement.

Le phénomène de gels et d'émulsions de blow-by a été étudié à travers des essais sur banc et des travaux de modélisation. Physiquement, ces phénomènes se ramènent au changement d'état de la vapeur d'eau présent dans un gaz incondensable et en présence de particules ou de film d'huile. Pour les conditions chaudes, la condensation prédomine. Ce phénomène mérite une attention car les condensats sont susceptibles de s'accumuler puis de cristalliser (changement de direction du tube, changement de géométrie...). Les condensats peuvent se mélanger avec l'huile pour donner une émulsion visqueuse capable de boucher partiellement les tubes. Pour les conditions froides, la formation de givre est privilégiée. Il s'agit d'une matrice de glace poreuse qui bouche progressivement la conduite jusqu'à l'obturation totale. En présence d'huile, le givre piège les particules sous forme d'incrustation sans entrainer une modification des phénomènes observés. Pour les conditions intermédiaires, les condensats, le givre et la glace coexistent à l'intérieur des tubes. Ce phénomène entraine une brusque montée en pression. En présence d'huile, le condensat liquide qui se trouve le plus souvent en amont du tube est remplacé par de l'émulsion et cristallise après un certain temps de contact. La mobilité de l'eau et la position des bouchons ont été utilisées pour décrire les différents phénomènes observés. Ces deux paramètres peuvent être corrélés avec les conditions opératoires ainsi que d'autres paramètres liés aux phénomènes de transfert thermique. Ce sont le débit de condensation et le profil de température de paroi interne des tubes. Des corrélations des coefficients de transferts et des enthalpies échangées ont permis de constater l'influence des différents paramètres et les phénomènes de transfert thermique mis en jeu. Les phénomènes de transfert à l'intérieur des tubes peuvent être modélisés en se servant de l'analogie entre le transfert de masse et le transfert de chaleur et en introduisant le concept de formation de brouillard ou de stabilisation isothermique du gaz sursaturé qui se forme. Le risque de bouchon et les phénomènes prépondérants peuvent être prédits à partir des résultats de modélisation thermique en utilisant le débit de condensation et les températures de paroi maximale et minimale comme critère.

Dans le cadre du développement des voitures électriques (VE), la solution de chauffage de l’habitacle par pompe à chaleur (PAC) s’impose graduellement en raison des plus grandes efficacités de ces dernières par rapport aux résistances électriques classiques. Cependant, dans certaines conditions, du givre se forme sur l’évapo-condenseur entraînant une dégradation marquée des performances du système. L’enjeu général de ce travail est donc de développer une PAC pour VE efficace en conditions de givrage afin d’améliorer l'autonomie en hiver. Pour ce faire, un évapo-condenseur résistant au givrage est nécessaire. Afin d’améliorer le design de l’échangeur, un modèle dynamique et pseudo 3D d’échangeur à microcanaux, typique de l’automobile, en conditions de givrage a été développé. Un sous-modèle de croissance de givre à la fois simple et précis a été établi en étudiant les différentes hypothèses de modélisation trouvées dans la littérature. Ensuite, au niveau échangeur de chaleur, la clé réside dans la bonne prédiction des pertes de charge aérauliques. Ainsi, une nouvelle approche a été de considérer les épaisseurs maximales locales de givre et une corrélation intégrant l’impact du givre afin de bien prédire les pertes de charge, la chute du débit d’air, et donc la chute de la puissance thermique de l’échangeur. Le modèle complet d’échangeur de chaleur couplé à un ventilateur a été validé expérimentalement. À partir d’une étude numérique basée sur le modèle, deux concepts innovants ont été établis : l’un avec ailettes ondulées débordantes et l’autre avec passes de réfrigérant croisées. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo-condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à ailettes débordantes, a été monté sur véhicule et comparé à l’échangeur de la Zoé. Le prototype a permis d’allonger d’environ 2.5 fois la période de fonctionnement du système. Finalement, un modèle de PAC avec givrage a été réalisé et intégré dans un modèle complet de VE. Pour un VE avec une autonomie d’environ 140 km sans chauffage, il s’avère que le givrage de la PAC dégrade l’autonomie d’environ 15% pour un trajet à 0°C et 90% d'humidité. Grâce à l’utilisation du prototype à ailettes ondulées débordantes, cette perte d’autonomie est de 3% seulement. / In the electric vehicle (EV) development context, the choice of heat pumps (HP) for cabin heating is becoming more popular due to their high efficiency compared to electric heaters. However, under some operating conditions, frost forms on the HP evapo-condenser causing a dramatic drop in the system performances until the system cannot operate. Hence, this work aims at developing a HP for EV which remains efficient under frosting conditions ultimately, to improve the EV range in the winter. This requires the design of a frost-resistant heat exchanger (HX). First, to improve the HX design, a dynamic and pseudo-3D model under frosting conditions of a typical HX for cars has been developed. A simple and accurate frost growth sub-model has been established by studying the various modeling assumptions found in the literature. Then, at the HX level, the key point has been to predict the air pressure losses, via the consideration of the maximum local frost thicknesses and the development of a correlation considering frost, in order to predict the drop of airflow and therefore the drop of the HX cooling capacity. Then, the model of the HX coupled with the fan has been validated experimentally. Using the model, a numerical study has been conducted and two innovative concepts have been established: one with wavy upstream extending fins and the other with crossed passes of refrigerant. Two prototypes were fabricated, using a reference HX taken from the Renault Zoé, and then tested. The best of the two HX, the one with upstream extending fins, was mounted on a VE and compared to the reference case. The prototype allowed extending the system operation by 2.5 times approximately. Finally, a HP model under frosting conditions was built and integrated into a EV model. It appeared that, for an EV with a range of approximately 140 km without heating, the HP frosting degrades the autonomy by about 15% at 0°C and 90% humidity, which was reduced to 3% via the use of the innovative HX prototype with wavy upstream extending fins.

La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux, la rugosité, la densité, l'albédo ..., sont regroupés sous la formule état de surface. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à l'aide d'observations in situ et satellite. L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite, principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du rapport de polarisation sensible à la densité proche de la surface), a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de 8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le sud-ouest). Enfin, la corrélation entre présence de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection. La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains, densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 - 2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été " inversée " à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m-3 a-1, superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent. Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux. L'étude de l'altimétrie satellite permettrat de corroborer ces résultats.

La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux, la rugosité, la densité, l'albédo …, sont regroupés sous la formule état de surface. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à l'aide d'observations in situ et satellite. L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite, principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du rapport de polarisation sensible à la densité proche de la surface), a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de 8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le sud-ouest). Enfin, la corrélation entre présence de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection. La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains, densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 - 2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été « inversée » à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m-3 a-1, superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent. Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux. L'étude de l'altimétrie satellite permettrat de corroborer ces résultats. / The snow surface on the Antarctic Plateau plays an important role to study the surface mass and energy balance. Its characteristics depend on interactions between the atmospheric conditions and the top of the snowpack such as snowfall, snow remobilization by the wind and metamorphism. All the surface characteristics like type of crystals, roughness, density, albedo … are rounded up the expression surface state. Objective of this thesis is to study the surface state and its evolution due to atmospheric conditions, from satellite and in situ observations. Analyzing together in situ and satellite observations, respectively from infrared pictures of the snow surface (developing an algorithm to study the image texture) and microwave emission of snow (using the polarization ratio that principally depends on the snow density near the surface), showed that the surface quickly evolves at Dome C. Specifically, periods where hoar covers totally the surface are observed and represents around 45% of time. Surface evolution is also characterized by rapid and high increase of the surface height which could be widely higher than the mean annual accumulation of 8 cm (to 20 cm in 2 hours). The wind is essential for the snow surface evolution. Especially, these works showed that wind direction changes during the disappearance of hoar crystals (perpendicular to the prevailing direction, i.e. the Southwest). Finally, correlation between presence of hoar on the surface and polarization ratio extended these results for the 10 years of satellite observation. It shows the potential to detect precipitation events from passive microwave observation. Modeling microwave emission at 19 and 37 GHz was performed at Dome C by a radiative transfer model (DMRT-ML). Snowpack properties (grain size, density and temperature) used as model inputs were measured during the 2010 – 2011 summer field campaign. Simulations results showed that the snow density near the surface is mainly responsible of the variations of polarization ratio. Surface density was thus estimated at Dome C for 10 years. The density evolution show a multi-annual trend of 10 kg m-3 a-1 decreasing, superimposed by an annual cycle and daily / weekly variations. In situ measurements of density and hoar observation are coincident with the rapid evolutions of estimated density. The substantial multi-annual decrease of density should be included in surface mass balance study because the causes are probably an increase of precipitation or a decrease of wind speed. Similar method was used to deduce the evolution of the near-surface snow surface for whole Antarctica. Spatial variations bring out a clear decrease trend of surface density over a large area between Dome C and Vostok and an area in the East of Dome C where density increases. For the whole Antarctic, the mean polarization ratio shows large variations which correspond to variations of the density stratification of the snowpack. Spatial altimetry would be useful to confirm these results.

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