Until recently, numerical modulation models for the solar modulation of cosmic rays have been based primarily on finite difference approaches; however, models based on the solution of an appropriate set of stochastic differential equations have become increasingly popular. This study utilises such a spatially three-dimensional and time-stationary model, based on that of Strauss et al. (2011b). The remarkable numerical stability and powerful illustrative capabilities of this model are utilised extensively and in a distinctly comparative fashion to enable new insights into the processes of modulation. The model is refined to provide for both the Smith-Bieber (Smith and Bieber, 1991) and Jokipii-Kota (Jokipii and Kota, 1989) modifcations to the Parker heliospheric magnetic field (Parker, 1958) and the implications for modulation are investigated. During this investigation it is conclusively illustrated that the Parker field is most conducive to drift dominated modulation, while the Jokipii-Kota and Smith-Bieber modifcations are seen to induce successively larger contributions from diffusive processes. A further refinement to the model is the incorporation of a different profile for the heliospheric current sheet. This profile is defined by its latitudinal extent given by Kota and Jokipii (1983), as opposed to the profile given by Jokipii and Thomas (1981). An extensive investigation into current sheet related matters is launched, illustrating the difference between these current sheet geometries, the associated drift velocity fields and the effect on modulation. At high levels of solar activity, such that the current sheet enters deep enough into the polar regions, the profile of Kota and Jokipii (1983) is found to significantly reduce the effective inward (outward) drifts of positively (negatively) charged particles during A > 0 polarity cycles. The analogous effect is true for A < 0 polarity cycles and the overall effect is of such an extent that the A > 0 and A < 0 solutions are found to coincide at the highest levels of solar activity to form a closed loop. This is a result that has never before been achieved without having to scale down the drift coefficient to zero at solar maximum, as was done by e.g. Ndiitwani et al. (2005). Furthermore, it is found that the drift velocity fields associated with these two current sheet profiles lead to significant differences in modulation even at such low levels of solar activity where no difference in the geometries of these profiles are yet in evidence. The model is finally applied to reproduce four observed galactic proton spectra, selected from PAMELA measurements (Adriani et al., 2013) during the atypical solar minimum of 2006 to 2009; a new proton local interstellar spectrum was employed. The results are found to be in accordance with that found by other authors and in particular Vos (2011), i.e. the diffusion was required to consistently increase from 2006 to 2009 and, in addition, the rigidity dependence below ~ 3 GV was required to change over this time so that the spectra became increasingly softer. / MSc (Space Physics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015

The structure of the magnetic field is often an important factor in many energetic processes in the solar corona. To determine the topology of the magnetic field features such as null points, separatrix surfaces, and separators must be found. It has been found that these features may be preferred sites for the formation of current sheets associated with the accumulation of free magnetic energy. Over the last decade, it also became clear that the geometrical analogs of the separatrices, the so-called quasi separatrix layers, have similar properties. This thesis has the aim of investigating these properties and to find correlations between these quantities. Our goal is to determine the relation between the geometrical features associated with the QSLs and with current structures, sites of reconnection and topological features. With these aims we conduct three different studies. First, we investigate a non linear force free magnetic field extrapolation from observed magnetogram data taken during a solar flare eruption concentrating our attention on two snapshots, one before the event and one after. We determine the QSLs and related structures and by considering carefully how these change between the two snapshots we are able to propose a possible scenario for how the flare occurred. In our second project we consider potential source distributions. We take different potential point source models: two four sources models already presented in the literature and a random distribution of fifteen sources. From these potential models we conduct a detailed analysis of the relationship between topological features and QSLs. It is found that the maxima of the Q-factor in the photosphere are located near and above the position of the subphotospheric null points (extending part way along their spines) and that their narrow QSLs are associated with the curves defined by the photospheric endpoints of all fan field lines that start from subphotospheric sources. Our last study investigates two different flux rope emergence simulations. In particular, we take one case with and one without an overlying magnetic field. Here, we can identify the QSLs, current, and sites of reconnection and determine the relation between them. From this work we found that not all high-Q regions are associated with current and/or reconnection and vice-versa. We also investigated the geometry of the field lines associated with high-Q regions to determine which geometrical behaviour of the magnetic field they are associated with. Those that are associated with reconnection also coincide with topological features such as separators.

D’immenses progrès ont été réalisés ces dernières années dans le champ de production de condensats de Bose-Einstein moléculaires pour l’obtention et le piégeage de molécules ultrafroides ioniques et neutres. Ces échantillons de molécules ultrafroides trouvent des applications dans des domaines très variés tels que les mesures pectroscopiques de haute précision ou bien encore le stockage de l’information quantique. La volonté d’optimiser les procédés de refroidissement et des techniques de piégeage a stimulé un grand nombre d’études théoriques. La plupart de ces études sont dédiées au refroidissement des molécules en collision avec un gaz tampon (3 He). La surface d’énergie potentielle de l’état fondamental du complexe de van der Waals He–MnH(X7Σ+) est présentée, suivie du calcul des états liés correspondant au complexe ainsi que l’étude de la relaxation Zeeman associée au système en fonction du champ magnétique appliqué. Dans le domaine de l’astrochimie, l’étude de la désexcitation rotationnelle de CH+ en collision avec l’hélium est également présentée. / Tremendous progress in experimental production and trapping of ultracold neutral and ionic molecules has been achieved over the past few years which even allowed the production of molecular Bose–Einstein condensates. These ultracold molecules samples have potential applications in many different fields, such as precision spectroscopic measurements or quantum information storage and processing. The optimization of the cooling processes and the trapping techniques also stimulated a great number of theoretical studies. Many of them are dedicated to inelastic scattering of molecules in collisions with 3He atoms (buffer gas cooling method). The potential energy surface of the ground state of the He–MnH(X7Σ+) van der Waals complex is presented, followed by the calculations of the bound states of this system and the Zeeman relaxation in function of the magnetic field. In the field of astrochemistry, a quantum mechanical investigation of rotational energy transfer in cold collisions of CH+ with 4He atoms is presented.

The outcome of chemical reactions proceeding via radical pair (RP) intermediates can be influenced by the magnitude and direction of applied magnetic fields, even for interaction strengths far smaller than the thermal energy. Sensitivity to Earth-strength magnetic fields has been suggested as a biophysical mechanism of animal magnetoreception and this thesis is concerned with simulations of the effects of such weak magnetic fields on RP reaction yields. State-space restriction techniques previously used in the simulation of NMR spectra are here applied to RPs. Methods for improving the efficiency of Liouville-space spin dynamics calculations are presented along with a procedure to form operators directly into a reduced state-space. These are implemented in the spin dynamics software Spinach. Entanglement is shown to be a crucial ingredient for the observation of a low field effect on RP reaction yields in some cases. It is also observed that many chemically plausible initial states possess an inherent directionality which may be a useful source of anisotropy in RP reactions. The nature of the radical species involved in magnetoreception is investigated theoretically. It has been shown that European Robins are disorientated by weak radio-frequency (RF) fields at the frequency corresponding to the Zeeman splitting of a free electron. The potential role of superoxide and dioxygen is investigated and the anisotropic reaction yield in the presence of a RF-field, without a static field, is calculated. Magnetic field effect data for Escherichia coli photolyase and Arabidopsis thaliana cryptochrome 1, both expected to be magnetically sensitive, are satisfactorily modelled only when singlet-triplet dephasing is included. With a view to increasing the reaction yield anisotropy of a RP magnetoreceptor, a brief study of the amplification of the magnetic field experienced by a RP from nearby magnetite particles is presented. Finally in a digression from RPs, Spinach is used to determine the states expected to be immune from relaxation and therefore long-lived in NMR experiments on multi-spin systems.

Des décennies d’observation ont permis d’obtenir différentes relations liées à l’activité stellaire. Cependant, il est difficile de reproduire numériquement celles-ci à partir de modèles dynamo, puisqu’il n’y a pas de consensus sur le processus réellement présent dans les étoiles. Nous tentons de reproduire certaines de ces relations avec un modèle global 3D hydrodynamique qui nous fournit le profil de rotation différentielle et le tenseur-α utilisés en entrée dans un modèle de dynamo αΩ. Nous reproduisons ainsi efficacement la corrélation positive entre le rapport P_cyc⁄P_rot et P_rot^(-1). Par contre, nous échouons à reproduire les relations liant ω_cyc⁄Ω et l’énergie magnétique au nombre de Rossby. Cela laisse croire que la variation de P_cyc⁄P_rot avec la période de rotation est une caractéristique robuste du modèle αΩ, mais que l’effet-α ne serait pas le processus principal limitant l’amplitude du cycle. Cette saturation découlerait plutôt de la réaction magnétique sur l’écoulement à grande échelle. / Decades of stellar observations established various relationships related to stellar activity cycles. However, these are difficult to numerically reproduce using dynamo models, since flows important for dynamo action cannot be measured in stars other than the Sun. We model these relationships by extracting the differential rotation profile and the α-tensor from a global 3D hydrodynamical simulation and use them as an input into a αΩ dynamo model. We succeed in reproducing the observed positive correlation between the ratio P_cyc⁄P_rot and P_rot^(-1). On the other hand, we fail to do so for the relationship linking ω_cyc⁄Ω and the magnetic energy to the Rossby number. This indicates that the variation of P_cyc⁄P_rot with the rotation period is a robust feature of the αΩ model, but that the α-effect is probably not the main process limiting cycle amplitude. This saturation is most likely related to the magnetic backreaction on large-scale flows.

Dans ce travail, l'influence du champ magnétique sur la transformation de phase diffusionnelle dans des alliages Fe-C de haute pureté a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Les caractéristiques microstructurales et celles d'orientations cristallographiques induites par le champ magnétique ont été soigneusement étudiées dans trois alliages Fe-C à différents taux de carbone, à savoir Fe-0.12C, Fe-0.36C, Fe-1.1C. Le champ magnétique induit différentes microstructures alignées et allongées le long de la direction du champ, à savoir des colonies de perlite alignées et allongées dans l'alliage Fe-0.12C et des grains allongés de ferrite proeutectoïde dans l'alliage Fe-0.36C, en raison de l'interaction magnétique dipolaire à deux différentes échelles. Le champ magnétique augmente la quantité de ferrite dans les alliages hypoeutectoïdes et cet effet du champ est plus prononcé avec l'augmentation du taux de carbone. Le champ magnétique inhibe la formation de ferrite de Widmanstätten en introduisant une force motrice supplémentaire pour la transformation ferritique et réduisant ainsi la nécessité de l'interface de faible énergie qui est requise pour surmonter les barrières de transformation durant le processus de refroidissement lent. Le champ magnétique favorise la formation de la structure anormale en augmentant la force d'entraînement de la transformation de l'austénite appauvrie en carbone en ferrite et il améliore la sphereoidization de perlite en raison de son influence sur l'accélération de la diffusion de carbone entraînée par l'augmentation de la température de transformation, ainsi que son effet sur l'augmentation de l'énergie relative de l'interface ferrite /cémentite. L'augmentation de la solubilité du carbone dans la ferrite induite par le champ est mise en évidence à travers les mesures WDS-EPMA pour la première fois. Des calculas ab-initio montrent que la présence d'un atome de carbone interstitiel dans Fe-C modifie les moments magnétiques des atomes de Fe voisins. Ceci conduit à la diminution de l'énergie de démagnétisation du système et rend le système énergétiquement plus stable dans le champ magnétique. En raison de l'interaction dipolaire magnétique à l'échelle atomique, le champ magnétique favorise la nucléation et la croissance des grains de ferrite ayant leur direction <001> distordue parallèle à la direction du champ transversal, et induit donc l'augmentation de la composante de fibre <001> dans le sens transversal par rapport à la direction du champ. Cet effet du champ est relié à la distorsion du réseau cristallin induite par une solution de carbone et son impact devient plus fort avec l'augmentation de la teneur en carbone et l'intensité du champ. Trois relations d'orientations (OR) entre la ferrite perlitique et la cémentite ont été trouvées dans ce travail, à savoir l'OR Isaichev (IS) et deux OR proches des OR Pitsch-Petch (PP). Le champ magnétique ne modifie guère les types d'OR qui apparaissent, mais il augmente considérablement la fréquence d'occurrence des OR P-P2, en particulier dans l'alliage Fe-1.1C, en favorisant la nucléation de la ferrite / In this work, the influence of the magnetic field on diffusional phase transformation in high purity Fe-C alloys has been investigated theoretically and experimentally. The magnetic field induced microstructural features and crystallographic orientation characteristics have been thoroughly studied in three different carbon content alloys: Fe-0.12C, Fe-0.36C and Fe-1.1C alloys. Magnetic field induces different aligned and elongated microstructures along the field direction, namely aligned and elongated pearlite colonies in Fe-0.12C alloy and elongated proeutectoid ferrite grains in Fe-0.36C alloy, due to the two scaled magnetic dipolar interaction. Magnetic field increases the amount of ferrite in hypoeutectoid alloys and this field effect becomes more pronounced with the increase of the carbon composition. Magnetic field inhibits the formation of Widmanstätten ferrite by introducing additional driving force to ferritic transformation and thus reducing the need for low energy interface which is required to overcome the transformation barriers during slow cooling process. Magnetic field promotes the formation of abnormal structure by increasing the driving force of transformation from carbon-depleted austenite to ferrite and it enhances the spheroidization of pearlite due to its influence on accelerating carbon diffusion resulting from increased transformation temperature, together with its effect on increasing the relative ferrite/cementite interface energy. The field induced enhancement of carbon solution in ferrite is evidenced through the WDS-EPMA measurements for the first time. Ab-initio calculations reveal that the presence of an interstitial carbon atom in bcc Fe modifies the magnetic moments of its neighboring Fe atoms. This leads to the decrease of the demagnetization energy of the system and makes the system energetically more stable under the magnetic field. Due to the atomic-scaled magnetic dipolar interaction, magnetic field favors the nucleation and growth of the ferrite grains with their distorted <001> direction parallel to the transverse field direction, and thus induces the enhancement of the <001> fiber component in the transverse field direction. This field effect is related to the crystal lattice distortion induced by carbon solution and its impact becomes stronger with the increase of the carbon content and the field intensity.Three ORs between pearlitic ferrite and cementite have been found in present work, namely Isaichev (IS) OR and two close Pitsch-Petch (P-P) ORs. Magnetic field hardly changes the types of the appearing ORs, but it considerably increases the occurrence frequency of the P-P2 OR, especially in Fe-1.1C alloy, by favoring the nucleation of ferrite

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes quasi-unidimensionnels (quasi-1D) sous champ magnétique intense. Deux systèmes différents présentant un confinement électrique quasi-1D ont été considérés: les peapods de carbone (C60@SWCNTs) et les nanofils d'InAs. L’objectif de ces travaux consiste à sonder les propriétés électroniques spécifiques de ces systèmes quasi-1D par les mesures de magnétotransport sur les nano-objets uniques. Dans les deux cas, les expériences sous champs magnétiques intenses ont été accompagnée par des caractérisations structurales et des mesures de conductance à champ magnétique nul.L'encapsulation de diverses molécules à l'intérieur de nanotubes de carbone (CNTs), comme par exemple les fullerènes C60, constitue une des voies prometteuses vers l'accordabilité de la conductance des CNTs. Parmi la grande variété des nanotubes de carbone remplis, les peapods représentent une structure hybride pionnière découvert en 1998. Depuis lors, leur structure électronique a fait l’objet d’études théoriques controversées avec un nombre limité de réalisations expérimentales. Dans cette thèse, les propriétés électroniques des peapods individuels ont été étudiés en combinant les mesures de spectroscopie micro-Raman et de magnétotransport sur les mêmes échantillons. Nous avons constaté que les C60 encapsulés modifient fortement la structure de bande électronique des nanotubes semi-conducteurs au voisinage du point de neutralité de charge. Cette modification comprend un déplacement rigide de la structure électronique et un remplissage partiel de la bande interdite. Nous avons aussi montré que l’excitation UV sélective des fullerènes conduit à une forte modification du couplage électronique entre les C60 et le CNT induite par la coalescence partielle des C60 et de leur distribution à l'intérieur du tube. Les résultats expérimentaux sont supportés par des simulations numériques de la densité d'états et de la conductance des nanotubes de carbone avec des fullerènes fusionnés à l'intérieur (K. Katin, M. Maslov).Les nanofils semiconducteurs (sc-NWs) font l'objet de recherches actives depuis ces dix dernières années. Ils représentent des systèmes modèles pour l’étude des propriété électronique objet quasi-1D. Ils représentent en outre des possibilités de modulation de la structure de bande aussi que de contrôle de la densité de porteurs. Dans ce domaine de recherche, les nanofils semi-conducteurs à base de composes III-V tel que InAs, ont une place particulière en raison de la faible masse effective des porteurs de charge. Nous avons étudié la conductance de nanofils individuels dans une large gamme de champs magnétiques (jusqu'à 60T). Les mesures en champ nul et en champ faible ont démontré un transport faiblement diffusif dans ces nanofils. Les mesures de transport sous champ magnétique intense ont révélé une forte chute de la conductance au dessus d'un champ critique qui s'élève clairement avec l'énergie de Fermi. Cet effet est interprété par la perte de canaux de conduction une fois que toutes les sous-bandes magnéto-électriques, décalés vers les hautes énergies par le champ magnétique, ont traversé l'énergie de Fermi. Les calculs de structure de bande préliminaires (Y-M. Niquet), en prenant en compte les confinements latéraux et magnétiques, sont en bon accord qualitatif avec les résultats observés dans le régime de champ magnétique intense. Ce résultat est la première observation des effets de structure de bande dans les expériences de magnéto-transport sur les sc-NWs / The scope of this thesis is related to the electronic properties of quasi 1D systems probed by high field magnetotransport. Two different systems exhibiting quasi-1D confinement have been considered: carbon C60 peapods (C60@SWCNTs) and InAs semiconductor nanowires. The magnetotransport measurements on single nano-objets have been used to investigate the specific electronic structure of these 1D systems. In both cases, the high magnetic fields experiments have been supported by structural characterisation and conductance measurements at zero field.The encapsulation of various molecules inside carbon nanotubes (CNTs), as for instance C60 fullerenes encapsulated in SWCNT, constitutes promising routes towards the tunability of the CNT conductance. Among the wide variety of filled CNTs, peapods represent a pioneer hybrid structure discovered in 1998. Since that time, their electronic structure has been subjected to intense and controversial theoretical studies together with a limited number of experimental realizations. In this thesis the electronic properties of individual fullerene peapods have been investigated by combining micro-Raman spectroscopy and magnetotransport measurements on the same devices. We bring evidence that the encapsulated C60 strongly modify the electronic band structure of semiconducting nanotubes in the vicinity of the charge neutrality point, including a rigid shift and a partial filling of the energy gap. In addition by playing with a selective UV excitation of the fullerene, we demonstrate that the electronic coupling between the C60 and the CNT is strongly modified by the partial coalescence of the C60 and their distribution inside the tube. The experimental results are supported by numerical simulations of the Density of States and the conductance of CNTs with coalesced fullerenes inside (K. Katin, M. Maslov).Semiconductor nanowires (sc-NWs) are being the subject of intense researches started a decade ago. They represent model systems for the exploration of the electronic properties inerrant to the quasi1-D confinement. Moreover they offer the possibility to play with band structure tailoring and carrier doping. In this direction III-V sc-NWs such as InAs NWs have played a particular role due to the small electron effective mass. We have studied the high magnetic field conductance of single nanowires. Prior to the high field measurements, the zero and low field investigations have demonstrated a weakly diffusive regime of the carrier transport in these wires. The high field investigations have revealed a drastic conductance drop above a critical field, which clearly rises with the Fermi energy. This effect is interpreted by the loss of conducting channels once all the magneto-electric subbands, shifted toward the high energy range by the magnetic field, have crossed the Fermi energy. Preliminary band structure calculations (Y-M. Niquet), taking into account the lateral and magnetic confinements, are in fairly good qualitative agreement with the observed result in the high field regime. This result is the first observation of band structure effects in magneto-transport experiments on sc-NWs

L'étude expérimentale des propriétés radiatives de plasmas d'hélium hors équilibres peut être réalisée par spectroscopie d'émission, un diagnostic non intrusif qui ne perturbe pas le système. Dans cette thèse, ce diagnostic a été utilisé sur des plasmas créés dans des tubes à décharges et dans une machine linéaire magnétisée MISTRAL. Les données expérimentales ont été confrontées aux résultats théoriques issus du code de physique atomique SOPHIA (modèle collisionnel-radiatif). Les tubes à décharge se caractérisent par des températures électroniques de l'ordre de l'électron-Volt et des densités électroniques de l'ordre de 10 exposant 12 cm-3. La première partie des résultats de cette thèse a permis de montrer que, dans ces conditions, le modèle C.C.C. (Convergent Close Coupling) reproduit au mieux la dynamique atomique d'un tel système. Dans la machine MISTRAL, la deuxième partie des résultats de cette thèse met en évidence la signature spectroscopique (rapports d'intensités de raies et étutés de raies et études radiales), de la présence d'électrons énergétiques ionisants et de la diffusion des particules chargées à travers un champ magnétique. / The experimental study of the radiative properties of plasmas of helium out of equilibrium can be achieved by emission spectroscopy, a non-invasive diagnostic which does not affect the system. In this thesis, this diagnostic was used on plasmas created in discharge tubes and in the linear magnetized machine MISTRAL. The experimental data were compared with theoretical results coming from the atomic physics code SOPHIA (collisional-radiative model). The discharge tubes are characterized by electron temperatures of the order of the electron volt and electron densities in the range of 10 12 cm-3. The first part of the results of this thesis has shown that under these conditions, the CCC model (Convergent Close Coupling) reproduces in the best way the atomic dynamics of such a system. The second part of the results reveals the spectroscopic signatures (line intensities ratios and radial studies), in the machine MISTRAL, the presence of ionizing energetic electrons and the diffusion of charged particles through a magnetic field.

L’instabilité elliptique peut apparaître dès qu’un écoulement présente des lignes de courant elliptiques, ce qui en fait une instabilité générique des fluides tournants. Si sa pertinence en aéronautique ne laisse plus de doute, sa prise en compte dans l’étude des écoulements géo- et astrophysiques pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques présents aux échelles planétaires qui seront considérés dans ce travail : les marées, la précession et la libration. Un état de l’art sur les écoulements et les instabilités associés à ces forçages est alors décrit, formant le cadre de cette étude. Le chapitre 2 présente les premières simulations numériques de l’instabilité elliptique en géométrie ellipsoïdale. Ces simulations nous permettent de quantifier l’influence de différentes complexités géophysiques et d’obtenir des lois d’échelles caractérisant l’instabilité. L’interaction de l’instabilité elliptique avec les deux autres forçages mécaniques est ensuite considérée. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d’exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l’interaction des marées et de la précession. Enfin, la section 2.6 démontre que l’instabilité elliptique peut se développer à partir d’écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s’intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l’instabilité elliptique. De nouveaux résultats sur l’aspect inductif de l’instabilité sont obtenus et validés numériquement. La génération d’un effet dynamo associé à l’instabilité elliptique est également abordé. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de la dynamique non-linéaire de l’instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. L’amplitude du champ magnétique imposé pouvant être assez assez grande pour restabiliser l’écoulement, ce dispositif permet d’étudier la saturation par l’écoulement d’une telle dynamo. Des premiers résultats en ce sens sont présentés. Le chapitre 4 utilise les résultats obtenus pour étudier la présence de l’instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d’abord considéré et un scénario, basé sur l’instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée à ce contexte montre que l’instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l’instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires à Jupiter chauds est considérée, montrant sa pertinence pour certains d’entre eux tel que celui de Tau-boo. / The elliptical instability is a generic instability which takes place in any rotating fluid whose streamlines are (even slightly) elliptically deformed. Its presence in an aeronautical context is well established, but its existence in geo- or astrophysical large scale flows raises many issues. This is the starting point of this theoretical, numerical and experimental work.After introducing basics of the rotating flows, chapter 1 presents the three natural planetary mechanical forcings considered in this work : tides, precession and libration. A state-of-the-art of the flows and instabilities associated with these forcings is then given, which constitutes the framework of this study.Chapter 2 presents the first numerical simulations of the elliptical instability in an ellipsoidal geometry, relevant for planets. These simulations allow to quantify the influence of different natural geophysical complexities, and to derive the scaling laws needed to bridge the gap between numerics and planetary applications. The interaction of the elliptical instability with the two other forcings is then considered. Section 2.4 shows that the simultaneous presence of tides and libration can excite an elliptical instability inside fluid layers of synchronized celestial bodies. In section 2.5, a theoretical analysis of the interaction between tides and precession is developed and validated. Finally, in section 2.6, we prove that the elliptical instability can still develop over convective or stratified flows.Chapter 3 focuses on the magnetohydrodynamics (MHD) of the elliptical instability. New results on the magnetic induction by the elliptical instability are obtained and validated numerically. The possible dynamo capability of the instability is also tackled. The experimental part of this work, based on a MHD setup, is then described. Our measurements allow to study the non-linear dynamics of the instability under an external imposed magnetic field. The experimental setup is then modified in order to obtain a synthetic dynamo. The amplitude of the imposed magnetic field being large enough to restabilize the flow, this setup allows to study the saturation by the flow of such a dynamo. First results on this point are presented. Chapter 4 uses the obtained results to study the presence of the elliptical instability in known planets, moons, and stars. The particular case of the Moon is first considered and a scenario, based on the elliptical instability, is proposed and evaluated to explain the primitive lunar dynamo. Telluric bodies are then considered in a more general context, and a stability analysis adapted to this context shows that the instability can be expected in the Early Earth, Europa and three exoplanets (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Finally, the possible development of the instability in extra-solar Hot-Jupiters systems is considered, showing its relevance for some of them, such as the system of Tau-boo.

This work focuses on efficient modelling and adaptive control of friction damping in bladed disks. To efficiently simulate the friction contact, a full-3D time-discrete contact model is reformulated and an analytical expression for the Jacobian matrix is derived that reduces the computation time drastically with respect to the classical finite difference method. The developed numerical solver is applied on bladed disks with shroud contact and the advantage of full-3D contact model compared to a quasi-3D contact model is presented. The developed numerical solver is also applied on bladed disks with strip damper and multiple friction contacts and obtained results are discussed. Furthermore, presence of higher harmonics in the nonlinear contact forces is analyzed and their effect on the excitation of the different nodal diameters of the bladed disk are systematically presented. The main parameters that influence the effectiveness of friction damping in bladed disks are engine excitation order,  contact stiffnesses,  friction coefficient, relative motion at the friction interface and the normal contact load. Due to variation in these parameters during operation, the obtained friction damping in practice may differ from the optimum value. Therefore, to control the normal load adaptively that will lead to an optimum damping in the system despite these variations, use of magnetostrictive actuator is proposed. The magnetostrictive material that develops an internal strain under the influence of an external magnetic field is employed to increase and decrease the normal contact load. A linearized model of the magnetostrictive actuator is used to characterize the magnetoelastic behavior of the actuator.  A nonlinear static contact analysis of the bladed disk reveals that a change of normal load more than 700 N can be achieved using a reasonable size of the actuator. This will give a very good control on friction damping once applied in practice. / <p>QC 20170310</p> / TurboPower