Dans le domaine de l'Internet des Objets (IOT) les matériaux magnétoélectriques composites (MEC) trouvent leurs potentiels utilités dans la récupération d'énergie de microsystèmes autonomes. L'aspect géométrique des matériaux MEC se traduit par l'assemblage de matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs sous formes laminaires ou sous formes de mixture par grains. Dans tous les cas ces matériaux possèdent, sous certaines conditions, des coefficients magnétoélectriques qui peuvent fournir des tensions et des puissantes suffisantes pour alimenter des microsystèmes autonomes. Mes travaux de recherche ont porté essentiellement sur une contribution à la modélisation de ces matériaux MEC à l'aide de méthodes analytiques et d'un code numérique basé sur la méthode des éléments finis (MEF) en 2D. Une méthode basée sur la combinaison du tenseur de Maxwell avec le model de Jiles-Atherton modifié a été proposée pour inclure dans la MEF la non-linéarité des couches magnétostrictives. Une étude sur les performances des structures multicouches a été réalisée afin de déterminer la configuration optimale pour les matériaux élaborés à base de couches minces. Une potentielle application dans le domaine biomédical est finalement présentée afin de prouver l'efficience d'un transducteur d'énergie MEC dans ce domaine. Une série de mesures sur un composite bilame est présentée à la fin afin de montrer le plein accord avec la partie modélisation réalisée. / Currently, the "Internet of Everything" (IoE) technologies have attracted significant researchers in the international scientific community. The IoE is based on the idea that identifiable objects are located and controlled via the Internet. To achieve this goal, it is necessary to design embedded systems in millimeter/micrometer scales composed of wireless sensor nodes while overcoming a major drawback of the excessive use of batteries which are limited in lifetime and yield pollutants. The problem calls for the supply of green energy harvesting for wireless sensors. To utilize mechanical vibrations and electromagnetic energy more efficiently, it would be necessary to get simultaneously both energies using materials sensitive to the electromagnetic field and the mechanical vibration such as magnetoelectric materials (ME) that combine the magnetostrictive and piezoelectric effects. Experimental results of ME coefficients from the fabricated ME composites have confirmed the possibility to obtain a few of V/(cm∙Oe) in no-resonant regime and few tens of V/(cm∙Oe) in resonant regime. In case of classical laminate bulk material (Terfenol-D/PZT/Terfenol-D), the delivered powers into optimal impedance are in the order of mW/ cm3. Thus in this context the research work in this thesis focuses on the establishment and assessment of the modelling approaches. The contribution includes analytical numerical methods and a 2D multiphysics finite element method to estimate the performance of the ME materials according to different polarizations and parameters.

Le couplage multiphysique devient important dans les domaines de l’ingénierie nucléaire et de l’informatique. La capacité d’obtenir des solutions précises pour des modèles réalistes est essentielle à la conception et l’autorisation des conceptions nouvelles de réacteurs nucléaires, surtout dans des situations d’accidents graves. Les modèles physiques qui décrivent le comportement des réacteurs nucléaires dans des conditions accidentelles sont : le transport des neutrons, la conduction/convection thermique, la thermomécanique du combustible et des structures de support, la stœchiométrie du combustible, et d’autres encore. Cependant cette thèse se concentre sur le couplage entre deux modèles, le transport des neutrons et la conduction/convection thermique.Le but de cette thèse est de développer un solveur multiphysique pour la simulation des accidents de réacteurs nucléaires. Le travail s’est focalisé à la fois sur l’environnement de simulation et sur le traitement des données pour de telles simulations.Ces travaux discutent le développement d’un solveur multiphysique basé sur la méthode Newton-Krylov sans la jacobienne (JFNK). Ce solveur inclut des solveurs linéaires et non-linéaires, accompagné des interfaces par le calcul des résidus aux codes existantes pour le transport des neutrons et la thermo hydraulique (APOLLO3 et MCTH respectivement). Une nouvelle formulation pour le résidu du transport de neutrons est explorée, qui réduit la taille de la solution et l’espace de recherche par un facteur important ; le résidu, au lieu d’être basé sur le flux angulaire, est basé sur la source de fission.La question de savoir si l’utilisation d’un flux fondamental pour l’homogénéisation des sections efficaces est suffisamment précise pendant les simulations transitoires rapides est aussi explorée. Il est montré que, dans le cas d’un milieu infini et homogène, l’utilisation des sections efficaces fabriquées avec un flux fondamental est significativement différente d’une solution de référence. Cette erreur est diminuée en utilisant un flux de pondération alternatif qui vient d’un calcul à dépendance temporelle ; soit avec un flux intégré en temps soit avec une solution asymptotique. Le flux intégré en temps vient d’une solution multiphysique sur un sous-domaine de l’accident et intégrée en temps. L’intégration en temps peut être réalisée sur plusieurs « morceaux » qui ont le même comportement temporel. La solution asymptotique vient d’un calcul de valeur propre alpha et emploie un ou plusieurs modes alpha comme flux de pondération. Entre les deux méthodes, la méthode avec un flux intégré en temps est plus précise, mais prend plus de temps.Le domaine d’application de ces nouvelles méthodes est étendu en étudiant les effets d’hétérogénéités spatiales et la discrétisation des macro-intervalles en temps. Premièrement, un cas avec des hétérogénéités spatiales et une perturbation locale est utilisé pour montrer que ces méthodes peuvent être utilisées pour l’homogénéisation au niveau des assemblages. Ces nouvelles méthodes fonctionnent mieux que la méthode traditionnelle avec un flux fondamental. Deuxièmement, une estimation a priori pour une discrétisation optimale est obtenue pour la méthode avec le flux intégré en temps. Il est montré que d’autres divisions du domaine en temps réduisent l’erreur sur plusieurs métriques jusqu’au moment où les erreurs numériques deviennent dominantes.Pour montrer que ces méthodes fonctionnent bien pour des calculs de grande taille, un calcul sur un cœur REB réduit est effectué. Cette simulation est basée sur un accident de chute de grappe dans un REB au démarrage. / Multiphysics coupling is becoming of large interest in the nuclear engineering and computational science fields. The ability to obtain accurate solutions to realistic models is important to the design and licensing of novel reactor designs, especially in design basis accident situations. The physical models involved in calculating accident behavior in nuclear reactors includes: neutron transport, thermal conduction/convection, thermo-mechanics in fuel and support structure, fuel stoichiometry, among others. However, this thesis focuses on the coupling between two models, neutron transport and thermal conduction/convection.The goal of this thesis is to develop a multiphysics solver for simulating accidents in nuclear reactors. The focus is both on the simulation environment and the data treatment used in such simulations.This work discusses the development of a multiphysics framework based around the Jacobian-Free Newton-Krylov (JFNK) method. The framework includes linear and nonlinear solvers, along with interfaces to existing numerical codes that solve neutron transport and thermal hydraulics models (APOLLO3 and MCTH respectively) through the computation of residuals. A new formulation for the neutron transport residual is explored, which reduces the solution size and search space by a large factor; instead of the residual being based on the angular flux, it is based on the fission source.The question of whether using a fundamental mode distribution of the neutron flux for cross section homogenization is sufficiently accurate during fast transients is also explored. It is shown that in an infinite homogeneous medium, using homogenized cross sections produced with a fundamental mode flux differ significantly from a reference solution. The error is remedied by using an alternative weighting flux taken from a time dependent calculation; either a time-integrated flux or an asymptotic solution. The time-integrated flux comes from the multiphysics solution of the accident on a subdomain and an integration in time. The integration can be broken into several “chunks” that capture similar time-dependent behavior. The asymptotic solution comes from an alpha-eigenvalue calculation and uses one or several alpha modes as the weighting flux. Between the two methods, the time-integrated flux is more accurate, but takes longer to obtain a solution.The usability of these new homogenization methods is further developed by studying the effects of spatial heterogeneities and of the discretization of the time-chunks. First, a case with spatial heterogeneities and a localized perturbation is used to show that these methods can be applied to assembly level homogenization. The new methods are shown to perform well with spatial heterogeneities when compared to using a traditional, fundamental mode, homogenization method. Second, an a priori estimate for an optimal time discretization is obtained for the time-integrated flux method. It is shown that further divisions of the time domain reduce the error for several metrics until numerical errors become dominant.To show that these methods work well for industrial sized calculations, a reduced size BWR core calculation is performed. This simulation is based on a rod-drop accident in a BWR core during startup.

La tendance actuelle dans le domaine du transport ferroviaire est d'intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermo-mécaniques plus sévères. Cela peut entraine leur destruction et donc la défaillance de la fonction de conversion d'énergie. L'objectif principal de cette thèse est de décrire des modèles et des outils de simulation multi-physiques afin de caractériser ces contraintes. Nous avons choisi comme cas d'étude les fils de connexion dits «wire bonding». Ces fils sont, en effet, considérés comme l'un des points faibles en ce qui concerne la durée de vie des modules de puissance, utilisés dans les systèmes embarqués notamment dans le ferroviaire. Dans ce contexte multi-physique, nous avons développé des modèles, numériques, éléments finis, analytiques, 3D ou 1D, afin de déterminer les contraintes thermomécaniques lors du passage du courant dans ces fils. A travers les modèles décrits et les résultats de simulation présentés, nous caractérisons le comportement des fils d'un point de vue électrique, thermique, magnétique ou mécanique. Plus précisément les interactions électromagnétiques, électrothermiques, électromécaniques ou thermomécaniques entre modèles et entre outils de simulation sont discutées. Les résultats sont confrontés aux mesures thermiques et de déplacement. Ces dernières sont réalisées par le biais de prototypes expérimentaux. Le mode de sollicitation utilisé est dit actif. Un régime de courant, continu ou alternatif, est appliqué au système. La réponse thermique et mécanique du système est alors obtenue. Les conclusions de cette étude permettent d'une part de mieux caractériser le comportement électro thermomécanique des fils de bonding et de mieux comprendre l'origine des modes de défaillance de cette technologie d'interconnexion. D'autre part, une démarche d'utilisation des modèles et outils logiciels multi physiques pour une simulation électro thermomécanique est présentée / The trend in the field of railway transport is to integrate increasingly powerful power modules in smaller volumes. This is problematic, especially in terms of reliability: during their cycles of operation, the semiconductor switches and their immediate environment are subject to tougher electro-thermo-mechanical stresses. This can lead to their destruction and then, to the failure of the energy conversion function. The main goal of this work is to describe the models and multi-physics simulation tools to characterize these stresses. We chose as a case study the connection wire called “wire bonding”. These wires are, indeed, considered one of the weaknesses of the life time of the power module used in embedded systems, particularly in railway applications. In this multi-physics context, we have developed numerical, finite elements, analytical, 3D or 1D models to determine the thermo-mechanical stresses during the current flow through the wires. Thanks to the models described and the simulation results presented, we characterize the behavior of the wire for an electrical, thermal, magnetic or mechanical point of view. More precisely, the electro-magnetic, electro-thermal, electro-mechanical or thermo-mechanical interactions between models and between simulation tools are discussed. The results are compared to thermal and displacement measurements. They are realized thanks to experimental prototypes. The type of solicitation is called active. A system of direct or alternating current is applied to the system. The thermal and mechanical response of the system is obtained. The conclusions of this study allow, on the one hand, characterizing the electro thermo-mechanical behavior of wires bonding and understanding the origin of the failure modes of this technology. On the other hand, a way of using models and multi-physics software tools for an electro thermo-mechanical simulation is presented

Dans le contexte des moteurs électriques automobiles, les phénomènes vibratoires d'origine magnétique soulèvent une problématique relativement récente. L'objectif de cette thèse est la mise au point d'un modèle multi-physique pertinent d'une machine électrique afin de réaliser quelques études spécifiques, d'optimiser la machine et de prendre en compte la variabilité du comportement vibratoire. La modélisation numérique s'appuie totalement sur des formulations analytiques afin de bien maîtriser les différentes physiques. Des mesures expérimentales sur la machine permettent une confrontation avec le modèle numérique multi-physique et une validation des choix de modélisation. Dans ce contexte de modélisation multi-physique, un outil de couplage est développé entre les modèles 2D électromagnétique et 3D mécanique afin d'évaluer les comportements vibratoires d'origine électromagnétique de la machine. Une attention particulière a été portée à la prise en compte des forces magnétiques radiales et surtout tangentielles sur le stator de la machine électrique. Une méthode d'optimisation, basée sur le principe d'une surface de réponse dynamique, est appliquée sur le modèle électromagnétique afin d'améliorer des paramètres de conception de la machine. Les incertitudes liées à la conception sont souvent nombreuses, notamment dans le domaine vibratoire. A cet effet, la méthode MSP (Modal Stability Procedure) prenant en compte la variabilité des paramètres matériaux est proposée. La formulation MSP pour l'élément 3D hexaédrique est développée et appliquée au stator électrique afin d'évaluer la variabilité des fréquences propres et des fonctions de réponse en fréquence. / In the context of automotive electric motors, vibratory phenomena of magnetic origin arise relatively recent problems. the aim of this thesis is to develop a relevant multi-physic model of the electrical machine to perform some specific studies, to optimize the design of the machine and to take into account the variability of the vibration behavior. Numerical model is too based on analytical formulations in order to monitor the different physics. Experimental measurements on the machine are used to validate the numerical multi-physics model. In this context of multi-physic modeling, a coupling tool is developed between the 2D electromagnetic and 3D mechanical models, in order to evaluate the vibratory behavior of electomagnetic origin of the machine. A special attention was given in modeling of radial and especially tangential magnetic forces on the electric stator. An optimization method based on a dynamic response surface is applied to the electromagnetic model in order to improve the design of the machine. Uncertainties associated to the design are numerous, especially in the vibratory field. In this context, we proposed the MSP method (Modal Stability Procedure), which taking into account the variability of the material parameters. The MSP formulation for 3D hexahedral finite element is developed an applied to the electric staor, in order to evaluate the variability of the natural frequencies and the frequency response functions.

Les sels fondus ont récemment été proposés comme milieux caloporteurs à haute température. Dans l'industrie nucléaire, le concept de réacteur à sels fondus (MSR en anglais) est le seul concept de quatrième génération qui propose l'utilisation d'un sel fondu liquide comme combustible nucléaire. Cette innovation présente des aspects positifs pour la conception et la sûreté nucléaire, mais impose de nouveaux défis. Le réacteur rapide à sels fondus (MSFR en anglais) est un concept qui est actuellement étudié dans le projet européen H2020 SAMOFAR, incluant le développement et la validation expérimentale (dans la plateforme expérimentale SWATH) de modèles plus performants pour les sels fondus : tel est l'objectif de ce travail de thèse. En outre les modèles développés peuvent s'appliquer à d'autres MSRs et à d'autres applications énergétiques utilisant des sels fondus comme milieux caloporteurs.La thèse suivante est divisée en trois parties :Premièrement, le développement de modèles pour décrire de façon réaliste certains des phénomènes thermiques microscopiques et macroscopiques associés à l’utilisation de sels liquides fondus comme milieux caloporteurs. Cette partie comprend l’utilisation et le développement de nouveaux modèles neutroniques pour étudier la production d'énergie nucléaire, ainsi que la modélisation des phénomènes turbulents dans les sels fondus, l’étude de l’interaction du rayonnement thermique et la turbulence dans les sels fondus. Enfin, cette partie traite également du développement d’une approche multi-échelle pour l'étude précise de la solidification/fusion dans les sels.Deuxièmement, la conception et la mise en œuvre d’expériences dédiées à la validation de ces modèles. Deux expériences clés ont été conçues au cours de cette thèse et ont été implémentées dans la plate-forme SWATH. L'objectif de ces expériences est d'étudier le comportement de différents modèles de turbulence et de tester les modèles de solidification développés dans les sels fondus.Troisièmement, les modèles développés ont été couplés dans une plateforme multi-physique pour l'étude précise du transitoire drainant du MSFR. / Molten salts have been recently proposed as high-temperature heat carrier media for energy applications. In the nuclear industry, the Molten Salt Reactors (MSRs) are the only fourth generation concept proposing the usage of a liquid nuclear fuel. This innovative aspect allows proposing improved safety and design features, but it leads to novel challenges. In particular, the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) is a MSR concept that is currently being studied in the H2020 European project SAMOFAR. Among the project activities, there are the development of more performant molten salts models and their experimental validation through the SWATH platform. This is the objective of the present thesis. However, the models developed are appropriate for other MSRs and other energy applications using molten salts as heat carrier media.The following thesis is divided into three parts.The first part is dedicated to the development of models for describing realistically some of the microscopic and macroscopic thermal phenomena associated with the usage of liquid molten salts as heat carrier media. This part includes the development and implementation of neutronic models to study nuclear power production in the MSFR, the study of turbulence and turbulence-radiation interaction in molten salt flows and the development of a multiscale approach to model the solidification/melting phenomena in salts.The second part is devoted to the design and implementation of dedicated experiments for validating these models. Two key experiments are addressed: an experiment to study the behavior of different turbulence models after a boundary layer detachment and one to test the multiscale solidification models developed for molten salts.The third part is committed to the coupling of the models developed into a multiphysics platform for the precise study of the draining transient of the MSFR.

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.

Cette thèse présente d'abord une modélisation multi-physique d'une cellule de pile à combustible à oxydes solides de géométrie tubulaire réversible 2D. Le modèle développé peut représenter à la fois une cellule d'électrolyse à oxydes solides (SOEC) et une cellule de pile à combustible à oxydes solides (SOFC). En tenant compte des phénomènes physiques, électrochimiques, fluidiques et thermiques, le modèle présenté peut décrire avec précision les effets multi-physiques à l'intérieur d'une cellule pour le fonctionnement en mode électrolyseur ou en mode pile sur toute la plage de fonctionnement en courant et en température. En outre, un solveur itératif a été mis en place afin de résoudre la distribution 2D des quantités physiques le long de la cellule tubulaire. Le modèle de cellule réversible est ensuite validé expérimentalement dans les deux configurations sous différentes conditions. Par ailleurs, un modèle de pile à combustible alimentée par du syngas a été développé. Ce dernier est orienté contrôle et prend en compte à la fois des phénomènes de co-oxydation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le modèle de gaz de synthèse développé est validé expérimentalement dans différentes conditions de fonctionnement. Le modèle développé peut être utilisé dans des applications embarquées comme la simulation en temps réel, ce qui peut aider à concevoir et tester la stratégie de contrôle et de diagnostic en ligne pour le système de génération d'énergie des piles à combustible dans les applications industrielles.La simulation en temps réel est importante pour le diagnostic en ligne des piles à combustible et les tests HIL (hardware-in-the-loop) avant les applications industrielles. Cependant, il est difficile de mettre en œuvre des modèles de piles à combustible multi-dimensionnels et multi-physiques en temps réel en raison des problèmes de rigidité numérique du modèle. Ainsi, la rigidité numérique du modèle en temps réel de la pile de type SOFC est d'abord analysée. Certains des solveurs d'équations différentielles ordinaires (ODE) couramment utilisés sont ensuite testés par la mise en place d’une simulation en temps réel comme objectif principal. Enfin, un nouveau solveur ODE rigide est employé pour améliorer la stabilité et réduire le temps d'exécution du modèle de pile à combustible en temps réel multidimensionnel. Pour vérifier le modèle proposé et le solveur ODE, des expériences de simulation en temps réel sont réalisées au sein d’une plate-forme temps réel embarquée commune. Les résultats expérimentaux montrent que la vitesse d'exécution satisfait à l'exigence de la simulation en temps réel. La stabilité du solveur sous forte rigidité et la grande précision du modèle sont également validées.Les piles à combustible sont vulnérables aux impuretés de l'hydrogène et aux conditions de fonctionnement qui entraînent une dégradation des performances de la pile au cours du temps. Ainsi, au cours de ces dernières années, la prédiction de la dégradation des performances attire l'attention qui conduit à des remarques critiques sur la fiabilité du système. Ainsi, une méthode innovante de prédiction de dégradation PEMFC utilisant un réseau neutre récurrent (RNN) à longue distance (G-LSTM) est étudiée. Le système LSTM peut efficacement éviter les problèmes d'explosion et de disparition de gradient en comparaison avec l'architecture RNN conventionnelle, ce qui le rend pertinent pour le problème de prédiction pour une longue période. En mettant en parallèle et en combinant les cellules LSTM, l'architecture G-LSTM peut optimiser de façon avantageuse la précision de prédiction de la dégradation des performances de PEMFC. Le modèle de prédiction proposé est validé expérimentalement par trois types différents de PEMFC. Les résultats indiquent que le réseau G-LSTM utilisé peut prédire la dégradation de la pile à combustible d'une manière précise. / This thesis first presents a multi-physical modeling of a 2D reversible tubular solid oxide cell. The developed model can represent both a solid oxide electrolysis cell (SOEC) and solid oxide fuel cell (SOFC) operations. By taking into account of the electrochemical, fluidic and thermal physical phenomena, the presented model can accurately describe the multi-physical effects inside a cell for both fuel cell and electrolysis cell operation under entire working range of cell current and temperature. In addition, an iterative solver is proposed which is used to solve the 2D distribution of physical quantities along the tubular cell. The reversible solid oxide cell model is then validated experimentally in both SOEC and SOFC configurations under different species partial pressures, operating temperatures and current densities conditions. Meanwhile, a control-oriented syngas fuel cell model includes both hydrogen and carbon monoxide co-oxidation phenomena are also proposed. The developed syngas model is validated experimentally under different operating conditions regarding different reaction temperatures, species partial pressures and entire working range of current densities. The developed model can be used in embedded applications like real-time simulation, which can help to design and test the control and online diagnostic strategy for fuel cell power generation system in the industrial applications.Real-time simulation is important for the fuel cell online diagnostics and hardware-in-the-loop (HIL) tests before industrial applications. However, it is hard to implement real-time multi-dimensional, multi-physical fuel cell models due to the model numerical stiffness issues. Thus, the numerical stiffness of the tubular solid oxide fuel cell (SOFC) real-time model is analyzed to identify the perturbation ranges related to the fuel cell electrochemical, fluidic and thermal domains. Some of the commonly used ordinary differential equation (ODE) solvers are then tested for the real-time simulation purpose. At last, the novel stiff ODE solver is proposed to improve the stability and reduce the multi-dimensional real-time fuel cell model execution time. To verify the proposed model and the ODE solver, real-time simulation experiments are carried out in a common embedded real-time platform. The experimental results show that the execution speed satisfies the requirement of real-time simulation. The solver stability under strong stiffness and the high model accuracy are also validated.Fuel cell are vulnerable to the impurities of hydrogen and operating conditions, which could cause the degradation of output performance over time during operation. Thus, the prediction of the performance degradation draws attention lately and is critical for the reliability of the fuel cell system. Thus, an innovative degradation prediction method using Grid Long Short-Term Memory (G-LSTM) recurrent neutral network (RNN) is proposed. LSTM can effectively avoid the gradient exploding and vanishing problem compared with conventional RNN architecture, which makes it suitable for the prediction of long time period. By paralleling and combining the LSTM cells, G-LSTM architecture can further optimize the prediction accuracy of the PEMFC performance degradation. The proposed prediction model is experimentally validated by three different types of PEMFC: 1.2 kW NEXA Ballard fuel cells, 1 kW Proton Motor PM200 fuel cells and 25 kW Proton Motor PM200 fuel cells. The results indicate that the proposed G-LSTM network can predict the fuel cell degradation in a precise way. The proposed G-LSTM deep learning approach can be efficiently applied to predict and optimize the lifetime of fuel cell in transportation applications.

L'objet des présents travaux est d'étudier, à la lumière d'une modélisation multiphysique, une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d'hélice. Cette technologie dite " Rim Driven " est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l'énergie cinétique des courants. Dans la continuité d'une étude bibliographique exhaustive, il nous apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines d'application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique est privilégiée afin d'englober l'ensemble des phénomènes susceptibles d'influencer les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d'ordre électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles qu'une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de référence en nacelle de type POD. Finalement, c'est l'idée même d'un modèle multi-physique couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et la fabrication d'une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite dans la perspective d'essais en bassin au cours de l'année 2011.

In this doctoral work, we adress various problems arising when dealing with multi-physical simulations using a segregated (non-monolithic) approach. We concentrate on a few specific problems and focus on the solution of aeroelastic flutter for linear elastic structures in compressible fl ows, conjugate heat transfer for re-entry vehicles including thermo-chemical reactions and finally, industrial electro-chemical plating processes which often include stiff source terms. These problems are often solved using specifically developed solvers, but these cannot easily be reused for different purposes. We have therefore considered the development of a flexible and reusable software platform for the simulation of multi-physics problems. We have based this development on the COOLFluiD framework developed at the von Karman Institute in collaboration with a group of partner institutions. For the solution of fl uid fl ow problems involving compressible flows, we have used the Finite Volume method and we have focused on the application of the method to moving and deforming computational domains using the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. Validation on a series of testcases (including turbulent flows) is shown. In parallel, novel time integration methods have been derived from two popular time discretization methods. They allow to reduce the computational effort needed for unsteady fl ow computations. Good numerical properties have been obtained for both methods. For the computations on deforming domains, a series of mesh deformation techniques are described and compared. In particular, the effect of the stiffness definition is analyzed for the Solid material analogy technique. Using the techniques developed, large movements can be obtained while preserving a good mesh quality. In order to account for very large movements for which mesh deformation techniques lead to badly behaved meshes, remeshing is also considered. We also focus on the numerical discretization of a class of physical models that are often associated with fluid fl ows in coupled problems. For the elliptic problems considered here (elasticity, heat conduction and electrochemical potential problems), the implementation of a Finite Element solver is presented. Standard techniques are described and applied for a variety of problems, both steady and unsteady. Finally, we discuss the coupling of the fluid flow solver with the finite element solver for a series of applications. We concentrate only on loosely and strongly coupled algorithms and the issues associated with their use and implementation. The treatment of non-conformal meshes at the interface between two coupled computational domains is discussed and the problem of the conservation of global quantities is analyzed. The software development of a flexible multi-physics framework is also detailed. Then, several coupling algorithms are described and assessed for testcases in aeroelasticity and conjugate heat transfer showing the integration of the fluid and solid solvers within a multi-physics framework. A novel strongly coupled algorithm, based on a Jacobian-Free Newton-Krylov method is also presented and applied to stiff coupled electrochemical potential problems.

L'utilisation de systemes électromécaniques microstructures pour analyser et manipuler des solutions biologiques ou des cellules vivantes (bio-MEMS) à pris un essor considérable ces dernières années. Dans ce genre de dispositifs, I'utilisation de champs électriques est frequente que ce soit pour percer les membranes des cellules et effectuer une transfection de gènes par exemple (électroporation), pour les déplacer ((di )électrophorèse) ou agir sur Ie milieu dans lequel elles baignent (électro-hydrodynamique). La modélisation des phénomènes induits par ces champs électriques dans les solutions aqueuses est un probleme multi-physique et multi-échelle. Au deplacement des électrons s'ajoute en effet la migration des ions présents dans la solution. Ceux-ci se concentrent en particulier aux abords des électrodes formant des couche minces dont les paramètres évoluent de façon encore mal connue en fonction notamment des conditions d'alimentation. La thèse se concentre sur les applications électro-hydrodynamiques dans lesquelles une solution saline est mise en mouvement par des forces électriques agissant sur ses ions, concentrés dans des couches de charges minces, au voisinage des électrodes. Sont d'abord presentés les resultats experimentaux et des modèles simples du problème électromécanique dans Ie cas de structures 2D à électrodes coplanaires. Devant I'importance des écarts entre les résultats théoriques et expérimentaux, des modèles plus complets sont alors proposés et évalués. Malgré les ameliorations fournies par ces modèles, des écarts importants subsistent entre théorie et expérimentation, et une étude totalement découplée des aspects électriques et mécaniques est alors réalisée sur une structure 1D. Cette étude permet de mieux cerner Ies dependances de certains paramètres physiques vis-a-vis des conditions d'alimentation avec une comparaison systématique des résultats expérimentaux et des résultats de modèles circuits Iinéaires et non linéaires, au travers d'une approche fréquentielle par diagrammes de Bode et d'une approche temporelle par figures de Lissajous. II a ainsi pu être mis en évidence I'importance pratique potentielle de certains phénomènes rarement pris en compte dans des modèles globaux : saturation des couches minces, permittivité non constante, effets de bords, ... Des applications pratiques ont pu etre dégagées et testées experimentalement, dans Ie domaine des micro-mélangeurs. Outre ces développements, une brève étude est décrite, portant sur la modélisation des cellules et de leurs membranes extrêmement fines en regard des autres dimensions caractéristiques du systeme, dans la perspective par exemple d'applications en électroporation. Une autre étude est faite portant sur I'utilisation potentielle de méthodes numériques dites " sans maillage " pour ce type d'applications, I'accent étant mis sur Ia résolution du problème de Poisson dans des systèmes 2D.