Scanning Laser Epitaxy (SLE) is a new laser-based layer-by-layer generative manufacturing technology being developed in the Direct Digital Manufacturing Laboratory at Georgia Tech. SLE allows creation of geometrically complex three-dimensional components with as-desired microstructure through controlled melting and solidification of stationary metal-alloy powder placed on top of like-chemistry substrates. The proposed research seeks to garner knowledge about the fundamental physics of SLE through simulation-based studies and apply this knowledge for hot section turbine component repair and ultimately extend the process capability to enable one-step manufacture of complex gas turbine components. Prior methods of repair specifically for hot-section Ni-base superalloys have shown limited success, failed to consistently maintain epitaxy in the repaired part and suffered from several mechanical and metallurgical defects. The use of a fine focused laser beam, close thermal control and overlapping raster scan pattern allows SLE to perform significantly better on a range of so-called “non-weldable” Ni-base superalloys. The process capability is expanded further through closed-loop feedback control of melt pool temperature using an infra-red thermal camera. The process produces dense, crack-free and epitaxial deposit for single-crystal (SX) (CMSX4), equiaxed (René-80, IN 100) and directionally solidified (DS) (René-142) Ni-based superalloys. However, to enable consistent and repeatable production of defect-free parts and future commercial implementation of the technology several concerns related to process capabilities and fundamental physics need to be addressed. To explore the process capability, the fabricated components are characterized in terms of several geometrical, mechanical and metallurgical parameters. An active-contour based image analysis technique has been developed to obtain several microstructural responses from the optical metallography of sample cross-sections and the process goes through continuous improvement through optimization of the process parameters through subsequent design of experiments. The simulation-based study is aimed at developing a multiphysics model that captures the fundamental physics of the fabrication process and allows the generation of constitutive equations for microstructural transitions and properties. For this purpose, a computational fluid dynamics (CFD) finite-volume solver is used to model the melting and solidification process. The development work also focuses on studying process response to different superalloy materials and implementing a multivariate statistical process control that allows efficient management and optimization of the design parameter space. In contrast to the prior work on single-bead laser scan, the model incorporates the raster scan pattern in SLE and the temperature dependent local property variations. The model is validated through thermal imaging data. The flow-thermal model is further tied to an empirical microstructural model through the active-contour based optical image analysis technique, which enables the identification of several microstructural transitions for laser beam describing a raster scan pattern. The CFD model can effectively be coupled with finite element solver to assess the stress and deformation and can be coupled with meso-scale models (Cellular Automata) to predict different microstructural evolutions. The research thus allows extending the SLE process to different superalloy materials, performs statistical monitoring of the process, and studies the fundamental physics of the process to enable formulation of constitutive relations for use in closed-loop feedback control; thus imparting ground breaking capability to SLE to fabricate superalloy components with as-desired microstructures.

This dissertation presents an experimentally supported multi-physics model of a dielectric barrier discharge boundary layer flow control actuator. The model is independent of empirical data about the specific behavior of the system. This model contributes to the understanding of the specific mechanisms that enable the actuator to induce flow control. The multi-physics numerical model couples a fluid model, a chemistry model, and an electrostatics model. The chemistry model has been experimentally validated against known spectroscopic techniques, and the fluid model has been experimentally validated against the time-resolved shadowgraphy. The model demonstrates the capability to replicate emergent flow structures near a wall. These structures contribute to momentum transport that enhance the boundary layer’s wall attachment and provide for better flow control. An experiment was designed to validate the model predictions. The spectroscopic results confirmed the model predictions of an electron temperature of 0.282eV and an electron number density of 65.5 × 10⁻¹²kmol/m³ matching to within a relative error of 12.4% and 14.8%, respectively. The shadowgraphic results also confirmed the model predicted velocities of flow structures of 3.75m/s with a relative error of 10.9%. The distribution of results from both experimental and model velocity calculations strongly overlap each other. This validated model provides new and useful information on the effect of Dielectric Barrier Discharge actuators on flow control and performance. This work was supported in part by NSF grant CNS-0960081 and the HokieSpeed supercomputer at Virginia Tech. / Ph. D.

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Nos travaux s’inscrivent dans le contexte global de la transition énergétique et de l’émergence des micro-réseaux, et de leur capacité, à terme, d’intégrer la production distribuée d’énergie tout en assurant la stabilité et la qualité du service. Parmi les technologies émergentes, les procédés Power-To-Gaz et en particulier le Power-to-Methane que nous étudions ici (production de CH4 à partir de l’électricité, en passant par H2 et CO2) ont l’avantage : d’absorber le surplus de production électrique, de récupérer et valoriser les émissions de CO2, et d’offrir des capacités de stockage importantes et de longue durée.Notre problématique porte sur la modélisation et la simulation d’un système PtM avec comme objectif d’assurer la continuité d’alimentation en CH4, ainsi que la sécurité du système en fonctionnement.Dans un premier temps nous effectuons le choix de technologies adaptées afin de déterminer la structure d’un système PtM avant de dimensionner ce système. Nous nous appuyons sur la modélisation REM (Représentation Energétique Macroscopique) pour intégrer les comportements physiques des équipements du système en régime stationnaire, mais également en régime transitoire, en prenant en compte des phases comme : le démarrage, le préchauffage…, et ainsi simuler le fonctionnement de ce système.Dans un second temps, nous développons une stratégie de gestion d’énergie multiniveaux afin de garantir le bon fonctionnement des équipements et du système dans sa globalité. Nous choisissons de la mettre en œuvre à travers la proposition d’un système multi-agents (SMA) et nous modélisons chacun des agents. Nous implémentons partiellement ce SMA et nous le simulons en connexion avec le modèle REM du système PtM pour montrer la faisabilité de notre approche. / Our work is concerned with energy transition and the emergence of micro-grids and their ability to integrate distributed power generation while at the same time ensure stability and service quality. Among the emerging technologies, the Power to Gas process and in particular the Power to Methane process which we are addressing here (production of CH4 from electricity, via H2 and CO2), have the advantage of absorbing surplus of electricity production, recovering CO2 emissions, as well as offering significant and long-term storage capacity.Our concern was in relation to the modeling and simulation of a PtM system with the objective of ensuring the continuity of CH4 supply and ensuring the safety of the system in operation.First, we chose the appropriate technologies to determine the structure of a PtM system before sizing this system. We utilised the REM modeling (Energetic Macroscopic Representation) to integrate the physical behaviors of the equipment of the system in a steady state, and in a transient state, taking into account phases like starting, preheating…, and ultimately the simulation of the operation system.In the second phase, we developed a multilevel energy management strategy to ensure the proper working order of each piece of equipment and of the global system. We chose to implement it through a multi-agent system (MAS) and we modeled each one of the agents. We partially implemented the MAS and simulated it with the REM model of the PtM system to show the feasibility of our approach.

L’analyse de sûreté des réacteurs nucléaires nécessite la modélisation fine des phénomènes y survenant et plus spécifiquement ceux permettant d’assurer l’intégrité des barrières de confinement. Les outils de modélisation et codes actuels favorisent une analyse fine du système réacteur par discipline dédiée, et couplée avec des modèles simplifiés. Néanmoins, le développement depuis plusieurs années d’une approche dite « Best Estimate », basée sur des calculs multiphysiques et multi-échelle, est en cours de réalisation. Cette approche permettra d’accéder au suivi et à l’analyse détaillée de problèmes complexes tels que l’étude des Réacteurs nucléaires en situation standard et accidentelle. Dans cette approche, les phénomènes physiques sont simulés aussi précisément que possible (selon la connaissance actuelle) par les modèles couplés. Par exemple, des codes disciplinaires existent et permettent la modélisation précise de la neutronique, de la thermohydraulique du cœur du réacteur ou de la thermohydraulique sur l'ensemble du système, de la thermomécanique du combustible ou des structures. Une approche « Best Estimate » consiste à coupler ces modèles afin de réaliser une modélisation globale et précise du système de réacteur nucléaire. Cette approche nécessite de bien définir les modèles qui sont utilisés afin de préciser exactement leurs limites, et donc préciser les incertitudes des résultats des modèles couplés afin de les assumer et de les optimiser.C’est dans ce contexte de travail que s’inscrit cette thèse. Elle consiste dans le développement d'un couplage multiphysique et multi-échelle « Best Estimate » afin d'obtenir une analyse précise des Réacteurs à Eau Légère en situations normale et accidentelle. Elle a consisté principalement en l’analyse des modèles et de leurs interactions et à la mise en œuvre d'un algorithme de couplage multiphysique entre une neutronique et une thermohydraulique exprimées à l'échelle du réacteur, ainsi qu’avec une thermomécanique fine à l'échelle élémentaire du crayon combustible. En outre, un travail spécifique a été effectué afin de préparer ou d'améliorer l’accés à l'information physique locale nécessaire à la mise en œuvre de modélisations couplées multi-échelles, à l'échelle du combustible. / The safety analysis of nuclear power plants requires a deep understanding of underlying key physical phenomena that determine the integrity of the physical containment barriers. At the present time, cutting edge models focus on a single aspect (discipline) of the physical system coupled with rough models of the other aspects needed to simulate the global system. But, safety analyses can be carried out based on Multiphysics and Multiscales modelling. This Best Effort approach would give a full and accurate (High Fidelity) comprehension of the reactor core under standard and accidental situations. In this approach, the physical phenomena are simulated as accurately as possible (according to present knowledge) by coupled models in the most efficient way. For example, codes exists that are accurate modellings of Neutronics, or modellings of thermal fluid mechanics inside the core, or modellings of thermal fluid mechanics over the whole system, or modellings of thermal mechanics of the fuel pin or over the whole device structure. A Best Estimate approach would couple these models in order to realize a global and accurate modelling of the Nuclear reactor. This approach requires to define well the models that are used in order to exactly specify their limits, and hence, specify uncertainties of the coupled model results in order to assume and optimize them.It is in this context that this PhD thesis work is being under taken. It consists in the development of a Multi-physics and multi-scale Best Estimate modelling in order to obtain an accurate analysis of Pressurized Water Reactor under standard and accidental operating situations. It mainly involves the understanding of each model and their interactions, followed by the implementation of multiphysics algorithms coupling Neutronics and Thermohydraulics at reactor scale to an accurate Thermomechanics at the elementary scale of the fuel pin. In addition, a work project has been carried out in order to prepare or improve the access to the local physical informations that are needed for the implementation of multiscale coupling scheme, at the elementary scale of the fuel pin.

Electric vehicles contain hundreds of high-energy density lithium-ion batteries. The crashworthiness of these vehicles can be improved by better understanding the response of these batteries in an event of an accident or abusive loads. These loads can induce short-circuit and thermal runways in extreme cases. Therefore, an efficient finite element model of a battery that can precisely predict the coupled multi-physics behavior of a cell in a real-world application is desired. This investigation incorporates detailed and homogenized multi-physics modeling of various form factors of lithium-ion batteries. In the first two chapters of this thesis, a multi-physics homogenized model of a pouch cell was developed and validated in a wide range of multi-disciplines of the battery. In contrast to other similar models described in the literature, which are only applicable in certain scenarios, this model has a much broader range of applications due to the innovative techniques developed for material calibration and cell modeling. In addition, due to the homogenized nature and computational cost efficiency of this technique, the developed model has significance in the crashworthiness analysis of battery packs and electric vehicles where hundreds of these batteries exist. In the final chapter, a detailed layered model of an 18650 cylindrical cell was developed. Component and cell-level tests were performed on the cell to calibrate the material properties and extract the geometries of all the components of the cell. This model is the first of its kind that precisely predicts the load-displacement response and shape of deformation in various loading scenarios. This developed model has crucial importance in the safety assessment of the batteries by providing insight into the sequence of deformation of the internal layers and components and their interplay during mechanical abuse loadings. Overall, the two developed models in this thesis provide battery-related industries with a tool to improve the safety of future electrified industries. / Mechanical Engineering

Le LNCMI est un grand équipement du CNRS. Il met à la disposition de la communauté scientifique internationale des aimants produisant des champs magnétiques intenses (entre 24 et 36 Teslas pendant plusieurs heures), utilisés par les chercheurs comme un moyen d'exploration et de contrôle de la matière. Dans la thèse, nous nous intéressons à la simulation de ce type d'aimants, dans le but de les étudier, d'optimiser leur design, ou encore de faire des analyses d'incidents. Ces modèles 30 sont basés sur des équations aux dérivées partielles couplées non-linéaires. Au vu de leur complexité, nous avons développé des méthodes de réduction d'ordre, permettant de réduire considérablement les temps de calcul associés. En particulier, nous pensons avoir levé un verrou majeur de l'utilisation du cadre méthodologique de réduction d'ordre pour des problèmes multi-physiques non-linéaires. / The magnetic field constitutes a powerfull tool for researchers, especially to determine the properties of the matter. This kind of applications requires magnetic fields of high intensity. The "Laboratoire National des Champs Magnetiques Intenses" (LNCMI) develops resistive magnets providing such magnetic field to scientists. The design of these magnets represents a challenge interms of design. We have developed a range of non-linear coupled models taking into account the whole involved physics, implemented through the Feel++ library. Designed for many query context, the reduced basis method applied to the multi-physics model aims to circumvent the complexity of the problem. lts efficiency allows to move towards parametric studies and sensitivity analysis in various concrete applications. Especially, the method SER we introduce in this thesis is a significant breakthrough for non-linear and non-affine problems in an industrial context.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la cadre d’un projet ANR inter-Carnot « ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices) ». L’objectif général du projet est de réaliser un dispositif permettant d’évaluer en temps réel l’état de vieillissement d’un assemblage de puissance embarqué par le suivi de son état thermique et mécanique pendant son fonctionnement. L’essentiel du travail présenté dans ce mémoire consiste à mettre en évidence la relation entre le vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et les dérives électriques qui peuvent être observées. En outre, compte tenu des problèmes thermiques liés aux applications embarquées, la caractéristique électrique choisie comme indicateur doit être rendue indépendante des effets de la température. Ainsi, après un état de l’art consacré à la présentation des différents types de vieillissement et aux défaillances rencontrées dans les assemblages de puissance, nous distinguerons différentes caractéristiques électriques qui semblent prometteuses pour effectuer le suivi en temps réel de l’état de vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et ce malgré des variations de température ambiante et le vieillissement de certains matériaux constituant l’assemblage / This work is part of an inter-Carnot ANR project "ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices)." The overall project objective is to provide a device to evaluate the real-time status of ageing of a power assembly by monitoring its thermal and mechanical states during operation. Most of the work presented in this thesis consists in highlighting the relationship between the assembly mechanical ageing and the observed electrical evolution. Moreover, due to the thermal problems related to embedded applications, the electrical characteristic chosen as an indicator must allowed to overcome the effects of temperature. Consequently, following a state of the art dedicated to the presentation of different types of ageing and failures encountered in power assemblies, we will distinguish different electrical characteristics that seem promising to monitor in real time the mechanical ageing state of a power device assembly in spite of ambient temperature variations and the ageing of some materials constituting the assembly

La micro-cogénération, production simultanée d’électricité et de chaleur à échelle domestique, se développe actuellement en Europe du fait notamment de son intérêt en termes d’économie d’énergie primaire. L’utilisation d’un combustible biomasse dans un système de micro-cogénération contribue à augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique. L’objet de ce travail est le développement d’un banc d’essai d’une unité de micro-cogénération biomasse composée d’une chaudière à pellets, d’un moteur à air chaud de type Ericsson (décomposé en une partie compression et une partie détente) et d’un échangeur gaz brûlés-air pressurisé inséré dans la chaudière. Des modèles de chacun de ces composants ont été établis pour caractériser leur fonctionnement sur la plage de réglage des paramètres influents et pour dimensionner l’unité prototype. Deux modèles du moteur Ericsson, en régime permanent et en régime dynamique, ont été mis en place. Ils ont montré l’influence prépondérante sur les performances du moteur des conditions de température et pression de l’air en entrée de détente et des réglages des instants de fermeture des soupapes. L’effet de la prise en compte des pertes dynamiques (pertes de charge, pertes thermiques à la paroi du cylindre, frottements mécaniques) sur l’estimation des performances du moteur a été étudié. Deux modélisations de l’échangeur ont permis de caractériser les transferts thermiques qui le traversent, incluant le rayonnement et l’encrassement par des particules de suie du côté des gaz brûlés. Le banc d’essai de l’unité de micro-cogénération mis en place / Nowadays, the micro combined heat and electrical power (micro-CHP) systems are developing in Europe, in particular because of their interest in terms of primary energy savings. The use of biomass fuel in micro-CHP systems enhances the share of renewable energy in the energy mix. The objective of this work is to develop a test bench for a biomass-fuelled micro-CHP unit composed of a pellet boiler, an Ericsson type hot air engine (decomposed into a compression and an expansion part) and a burned gas-pressurized air heat exchanger inserted in the boiler. Models of every component have been established to characterize their working conditions depending on influent parameter settings and to size the micro-CHP unit. Two models of Ericsson engine, with established and dynamic regimes, were implemented. The preponderant influence of the temperature and pressure conditions at the inlet of the expansion cylinder and of the timing of valve closing on the engine performances are shown. The dynamic model shows the effect of considering the dynamic losses (pressure loss, heat transfer at the cylinder wall, mechanical friction) on the estimation of engine performances. Two models of the heat exchanger allow the characterization of the heat transfers crossing it, taking into account the radiation and the fouling by soot particles on the side of combustion gases. Experimental measurements obtained from the test bench of the micro-CHP unit set up were used in the developed models.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.