Le travail de cette thèse porte sur le développement de modèles neutroniques innovants pour le couplage avec la thermohydraulique, associant précision et temps de calcul raisonnable. Un des cas d'application principaux étant le réacteur à sel fondu, à spectre neutronique rapide et en cycle thorium MSFR (Molten Salt Fast Reactor), réacteur de 4ème génération à combustible liquide circulant, la prise en compte du mouvement des précurseurs de neutrons retardés et des phénomènes associés est nécessaire. Les études de conception de ce type de réacteur ont été le point de départ de ces développements, via le besoin d'une représentation multiphysique adaptée pour l'obtention d'une image globale et la réalisation d'études de transitoire.Dans un premier temps un couplage stationnaire a été développé, associant un modèle neutronique basé sur une approche stochastique, et un code de CFD (Computational Fluid Dynamics) résolvant les équations de Navier Stokes des écoulements turbulents ainsi que le transport des précurseurs de neutrons retardés. Ce modèle neutronique intègre l'effet lié au transport de ces précurseurs par une reconstruction de la gerbe prompte qu'ils génèrent. Cette approche dite par gerbe considère le réacteur critique comme un système sous-critique prompt amplifiant la source de neutrons retardés.Dans un second temps, un modèle neutronique basé sur une version temporelle des matrices de fission (Transient Fission Matrix ou TFM) a été développé afin de réaliser des études de transitoires. Le modèle TFM permet, en un premier calcul des matrices avec un code stochastique (MCNP, SERPENT), de réaliser une caractérisation de l'ensemble de la réponse neutronique spatiale et temporelle du réacteur avec une précision proche de celle du calcul Monte Carlo. Dans un second temps cette information est utilisée pour les calculs de transitoires tout en gardant un temps de calcul réduit. Le modèle TFM, utilisable pour différents types de systèmes, permet également le calcul de paramètres cinétiques effectifs tels que la fraction effective de neutrons retardés ou le temps de génération effectif. Différents cas d'application ont été utilisés afin de vérifier et d'illustrer cette approche sur des calculs temporels ou de paramètres cinétiques.Enfin le modèle TFM a été implémenté dans le code de thermohydraulique OpenFOAM. Ce couplage a été testé sur un benchmark numérique à géométrie simplifiée, puis des calculs sur le MSFR ont été réalisés, pour des transitoires normaux (suivis de charge) ou accidentels (insertions de réactivité, sur-refroidissements). / In this PhD thesis, we describe the development of innovative neutronic models for their coupling with thermalhydraulics such that they combine precision and reasonable computational times. One of the main cases where this method is applied is the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) whose combines a fast neutron spectrum with a thorium cycle. In this fourth generation reactor, the motion of the delayed neutron precursors and the associated phenomena have to be taken into account due to the liquid fuel circulation. The starting point for these developments was the preliminary design of this type of system where a dedicated multi-physical representation was needed to study the reactor performance in steady and transient conditions.As a first step, a stationary coupling was developed. A neutronic model based on a stochastic approach was associated to a CFD (Computational Fluid Dynamics) code to solve the Navier Stokes equations for turbulent flows and the transport of the delayed neutron precursors. The impact of this precursor motion is taken into account by reconstructing the prompt shower that they generate. This approach, called by shower, views the critical reactor as a prompt subcritical reactor that amplifies a source of delayed neutrons.A second step consisted in developing a neutronic model based on a time dependent version of the fission matrices (Transient Fission Matrix or TFM) so as to enable reactor transient studies. With the TFM model, an initial computation of the matrices with a stochastic code (MCNP, SERPENT) allows the characterization of the global spatial and time dependent neutronic response of the reactor with a precision close to that of a Monte Carlo calculation. The information thus obtained is then used to calculate transients, while retaining the advantage of reduced computational time. The TFM model, which can be used for various system concepts, also allows the evaluation of effective kinetic parameters such as the effective fraction of delayed neutrons or the effective generation time. The method was applied to various cases in order to verify it and demonstrate the approach for time dependent or kinetic parameter calculations.Finally, the TFM model was integrated in the OpenFOAM thermalhydraulic code. The coupling was first tested on a simple geometry numerical benchmark. Subsequently, it was applied to the MSFR to calculate normal (load-following) and accidental (reactivity insertion, over-cooling) transients.

Les progrès du calcul scientifique ont permis des avancées importantes dans la simulation et la compréhension de problèmes complexes tels que les différents phénomènes physiques qui ont lieu dans des turbines à gaz industrielles. Cependant' l'essentiel de ces avancées portent sur la résolution d'un seul problème à la fois. En effet on résout soit les équations de la phase fluide d'un côté' de la thermique d'un autre' du rayonnement' etc... Pourtant' dans la réalité tous ces différents problèmes physiques interagissent entre eux: on parle de problèmes couplés. Ainsi en réalisant des calculs couplés on peut continuer à améliorer la qualité des simulations et donc donner aux concepteurs de turbines à gaz des outils supplémentaires. Aujourd'hui' des logiciels récents permettent de résoudre plusieurs physiques simultanément grâce à des solveurs génériques. En revanche' la contrepartie de cette généricité est qu'ils se révèlent peu efficaces sur des problèmes coûteux tels que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Une autre solution consiste à connecter des codes spécialisés en leur faisant échanger des informations' cela s'appelle le couplage de codes. Dans cette thèse on s'intéresse au couplage d'un domaine fluide dans lequel on simule une SGE réactive (combustion) avec un domaine solide dans lequel on résout la conduction thermique. Pour réaliser ce couplage une méthodologie est mise en place en abordant différentes problématiques. Tout d'abord' la problématique spécifique au couplage de la SGE et de la thermique : l'impact de la fréquence d'échange sur la convergence du système ainsi que sur les problèmes de repliement de spectre et la stabilité du système couplé. Ensuite les problèmes d'interpolation et de géométrie sont traités avec notamment le développement d'une méthode d'interpolation conservative et la mise en évidence des difficultés spécifiques au couplage de géométries industrielles. Finalement la problématique du calcul haute performance (HPC) est traitée avec le développement d'une méthode permettant de réaliser efficacement l'échange des données et l'interpolation entre différents codes parallèles. Ces travaux ont été appliqués sur une configuration de chambre de combustion aéronautique industrielle. / Progress in scientific computing has led to major advances in simulation and understanding of the different physical phenomena that exist in industrial gas turbines. However' most of these advances have focused on solving one problem at a time. Indeed' the combustion problem is solved independently from the thermal or radiation problems' etc... In reality all these problems interact: one speaks of coupled problems. Thus performing coupled computations can improve the quality of simulations and provide gas turbines engineers with new design tools. Recently' solutions have been developed to handle multiple physics simultaneously using generic solvers. However' due to their genericity these solutions reveal to be ineffective on expensive problems such as Large Eddy Simulation (LES). Another solution is to perform code coupling: specialized codes are connected together' one for each problem and they exchange data periodically. In this thesis a conjugate heat transfer problem is considered. A fluid domain solved by a combustion LES solver is coupled with a solid domain in which the conduction problem is solved. Implementing this coupled problem raises multiple issues which are addressed in this thesis. Firstly' the specific problem of coupling an LES solver to a conduction solver is considered: the impact of the inter-solver exchange frequency on convergence' possible temporal aliasing' and stability of the coupled system is studied. Then interpolation and geometrical issues are addressed: a conservative interpolation method is developed and compared to other methods. These methods are then applied to an industrial configuration' highlighting the problems and solutions specific to complex geometry. Finally' high performance computing (HPC) is considered: an efficient method to perform data exchange and interpolation between parallel codes is developed. This work has been applied to an aeronautical combustion chamber configuration.

La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place une boucle d’optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales / Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this evolution generates many harmonics losses in different components as inductors or transformers, and complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers coupled with inductor for the railway applicationIt’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy of field calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A 3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented. Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the neighborhood of the optimal point

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception par optimisation d’une chaine de traction de véhicule électrique en phase amont du développement. Dan une première partie, nous avons abordé le contexte environnemental du transport afin d poser la problématique de la conception systémique d’une chaine de traction électrique composée d’une transmission, une machine électrique asynchrone, un onduleur et un batterie. Le cas test est celui du Renault Twizy. La seconde partie explore les possibilité de modélisation puis détaille les modèles analytiques qui ont été choisis pour chaque composant. L’assemblage de ces modèles permet une estimation de l’autonomie d véhicule, au travers du calcul des pertes des composants, et du cout de la chaine d traction. La troisième partie est consacrée aux méthodes et stratégies d’optimisation afin d pouvoir exploiter le modèle système en incluant le cycle de roulage, le contrôle de l machine électrique et les différentes physiques des composants, tout en conservant de temps de calcul raisonnable. Enfin, la dernière partie présente des résultats d’optimisation en comparant différents jeux de variables et objectifs, soulignant l’importance d’un conception systémique. Des essais sur banc permettent de valider les hypothèses qui on été posées / The works of this thesis concern the optimal design methodology of an electric vehicl powertrain, in early development phase. The first part of this report introduces th environmental context of transportation in order to assess the problem of system design o an electric powertrain which includes a transmission, an induction machine, an inverter an a battery. The selected study case is a Renault Twizy. The second part deals with modelin choices and details the analytic models of the components. Then these models are pu together to get an estimate of the vehicle range, by calculating the components’ losses an the powertrain cost. The third part is devoted to methods and optimization strategies wit the objective to use the systemic model with driving cycles, electric machine control and th physics of each component, without increasing too much computing times. The final par presents results from optimal designs, by comparing several variables or objectives sets Results show how significant the systemic design is. Experiments on a test bench allow validating the hypothesis that have been made

Le véhicule électrique est une des solutions de transport respectueuses de l’environnement, n’émettant pas de polluant lors de son utilisation. Gruau, constructeur carrossier pour véhicules utilitaires, se lance activement dans le transport écologique sur le segment de l’utilitaire 3,5t. Afin d’accroitre les ventes de véhicules utilitaires électriques, il est nécessaire d’en réduire le coût total de possession (ou TCO (Total Cost of Ownership)). L’objectif de cette thèse est d’étudier et de modéliser le comportement des composants de ce véhicule électrique pour simuler des calculs de TCO. Le composant principal étudié est la batterie, dont la durée de vie limitée conditionne la rentabilité du véhicule. La première partie des travaux fut consacrée à la modélisation du comportement du véhicule en fonction d’une mission client donnée. Une étude des cellules de batterie est réalisée dans le but de construire un modèle multi-physique complet en prenant en considération le vieillissement calendaire et le vieillissement en cyclage. Un modèle énergétique global, comprenant ce modèle batterie, permet de déterminer l’énergie nécessaire pour un parcours donné et de simuler le vieillissement des cellules électrochimiques afin de calculer le TCO. Une seconde partie est orientée vers le calcul du TCO. La mise en oeuvre d’un algorithme d’optimisation avec une méthodologie d’accélération des calculs a permis de réaliser les calculs dans des temps raisonnables (passage de 13h à 15min par itération). Après étude de l’impact du dimensionnement de la batterie sur le TCO, il en ressort que la réduction de la capacité n’entraine pas systématiquement la réduction du TCO. Il existe pour chaque mission un point de TCO optimal (jusqu’à 17% d’éconnomie). Afin d’améliorer le TCO, des stratégies de recharge intelligentes sont élaborées et permettent rentabilité accrue du VUE (jusqu’à 29%). Ce travail a été intégré dans un logiciel d’aide à la décision de la capacité de la batterie suivant les besoins du client, destiné aux forces de ventes commerciales. / The electric vehicle is one of the environmentally friendly transport solutions that emit no pollutant during its use. Gruau, manufacturer-converter for light commercial vehicles (LCV), is actively involved in green transport in the 3.5t segment. In order to increase sales of electric LCV, it is necessary to reduce its total cost of ownership (TCO). The objective of this thesis is to study and model the behavior of the components of this electric vehicle in order to simulate TCO. The main component studied is the battery, whose limited lifetime will determine the profitability of the vehicle. The first part of the work was devoted to modeling the behavior of the vehicle according to a given customer mission. The study of battery cells was done with the aim of building a complete multi-physics model taking into account calendar aging and cycling aging. Then, this battery model is integrated in a complete energy model taking into account all the components of the studied vehicle. Then a global model, including this battery model, makes it possible to determine the energy required for a given path and to simulate the aging of the electrochemical cells in order to calculate the TCO. A second part is oriented towards the calculation of the TCO. The implementation of an optimization algorithm, with a methodology of computing acceleration, allowed to achieve the computations in reasonable times (reduction from 13h to 15min by iteration). After studying the impact of battery sizing on the TCO, it appears that the reduction of the battery capacity does not systematically lead to the reduction of the TCO. There is therefore an optimum TCO point for each mission (up to 17% savings). In order to improve the TCO, smart recharging strategies are developed and allow increasing e-LCV profitability (up to 29%). This work is integrated into a decision support software relative to the battery capacity according to customer needs, intended for commercial sales forces.

Durant les dernières décennies, l’évolution de la puissance de calcul a conduit au développement de codes de simulation en physique des réacteurs de plus en plus prédictifs pour la modélisation du comportement d’un réacteur nucléaire en situation de fonctionnement normal et accidentel. Un cadre d’analyse d’incertitudes cohérent avec l’utilisation de modélisations Best Estimate (BE) a été développé. On parle d’approche Best Estimate Plus Uncertain-ties (BEPU) et cette approche donne lieu `a de nombreux travaux de R&D à l’international en simulation numérique. Dans cette thèse, on étudie la quantification d’incertitudes multi-physiques dans le cas d’un transitoire d’ éjection de Grappe de contrôle (REA- Rod Ejection Accident) dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP). La modélisation BE actuellement disponible au CEA est réalisée en couplant les codes APOLLO3 R (netronique) et FLICA4 (thermohydraulique-thermique du combustible) dans l’environnement SALOME/CORPUS. Dans la première partie de la thèse, on examine différents outils statistiques disponibles dans la littérature scientifique dont la réduction de dimension, l’analyse de sensibilité globale, des modèles de substitution et la construction de plans d’expérience. On utilise ces outils pour développer une méthodologie de quantification d’incertitudes. Dans la deuxième partie de la thèse, on améliore la modélisation du comportement du combustible. Un couplage Best Effort pour la simulation d’un transitoire REA est disponible au CEA. Il comprend le code ALCYONE V1.4 qui permet une modélisation fine du comportement thermomécanique du combustible. Cependant, l’utilisation d’une telle modélisation conduit à une augmentation significative du temps de calcul ce qui rend actuellement difficile la réalisation d’une analyse d’incertitudes. Pour cela, une méthodologie de calibrage d’un modèle analytique simplifié pour le transfert de chaleur pastille-gaine basé sur des calculs ALCYONE V1.4 découplés a été développée. Le modèle calibré est finalement intégré dans la modélisation BE pour améliorer sa prédictivité. Ces deux méthodologies sont maquettées initialement sur un cœur de petite échelle représentatif d’un REP puis appliquées sur un cœur REP à l’échelle 1 dans le cadre d’une analyse multi-physique d’un transitoire REA. / The computational advancements of the last decades lead to the development of numerical codes for simulating the reactor physics with increa-sing predictivity allowing the modeling of the beha-vior of a nuclear reactor under both normal and acci-dental conditions. An uncertainty analysis framework consistent with Best Estimate (BE) codes was develo-ped in order to take into account the different sources of uncertainties. This framework is called Best Esti-mate Plus Uncertainties (BEPU) and is currently a field of increasing research internationally. In this the-sis we study the multi-physics uncertainty quantifi-cation for Rod Ejection Accident (REA) in Pressuri-zed Water Reactors (PWR). The BE modeling avai-lable in CEA is used with a coupling of APOLLO3 (neutronics) and FLICA4 (thermal-hydraulics and fuel-thermal) in the framework of SALOME/CORPUS tool. In the first part of the thesis, we explore different statistical tools available in the scientific literature including: dimension reduction, global sensitivity analy-sis, surrogate modeling and design of experiments. We then use them in order to develop an uncer-tainty quantification methodology. In the second part of the thesis, we improve the BE modeling in terms of its uncertainty representation. A Best Effort coupling scheme for REA analysis is available at CEA. This in-cludes ALCYONE V1.4 code for a detailed modeling of fuel-thermomechanics behavior. However, the use of such modeling increases significantly the compu-tational cost for a REA transient rendering the uncer-tainty analysis prohibited. To this purpose, we deve-lop a methodology for calibrating a simplified analytic gap heat transfer model using decoupled ALCYONE V1.4 REA calculations. The calibrated model is finally used to improve the previous BE modeling. Both de-veloped methodologies are tested initially on a small scale core representative of a PWR and then applied on a large scale PWR core.

L’augmentation de la puissance informatique disponible permet aux ingénieurs et designers d’aborder par simulation des problèmes de plus en plus complexes (multi-physiques, multi-échelles, géométries intriquées ...). Dans ce contexte, les quadratures à base de discrétisation (FDM, FEM, FVM) montrent leur limite : le besoin d’un grand nombre de sous-domaines qui implique des coûts RAM et CPU prohibitifs. La méthode de Monte-Carlo apparaît plus appropriée, mais son utilisation est verrouillée par la difficulté de générer des modèles probabilistes de systèmes complexes. Pour surpasser ceci, une approche systémique est proposée et implémentée pour créer une preuve de concept appliquée à la simulation des transferts thermiques couplés. Après une étape de validation vis-à-vis de solutions analytiques, l’outil est employé; sur des cas d’illustration (transferts thermiques au sein de bâtiments et dans une centrale solaire) pour étudier ses capacités. L’approche mise en œuvre présente un comportement particulièrement avantageux pour la simulation de systèmes complexes : son temps de calcul ne dépend que des parties influentes du problème. De plus, elles sont automatiquement identifiées, même en présence de géométries étendues ou intriquées, ce qui rend les simulations auto-adaptatives. Par ailleurs, ses performances de calcul ne sont pas corrélées avec le rapport d’échelle caractérisant le système simulé. Ceci en fait une approche douée d’une remarquable capacité à traiter les problèmes à la fois multi-physiques et multi-échelles. En parallèle de l’estimation d’une observable par des chemins d’exploration, l’outil analyse également ces derniers de manière statistique. Ceci lui permet de générer un modèle prédictif réduit de l’observable, procurant ainsi une capacité d’auto-apprentissage à la simulation. Son utilisation peut améliorer les processus d’optimisation et de contrôle-commande, ou simplifier les mesures par méthodes inverses. De plus, elle a aussi permis de mener une analyse par propagation d’incertitudes, affectant les conditions aux frontières, vers l’observable. Enfin, une démonstration d’optimisation, utilisant des modèles réduits générés, a été réalisée. / As computing power increases, engineers and designers tackle increasingly complex problems using simulation (multiphysics, multiscale, intricated geometries ...). In this context, discretization-based quadratures (FDM, FEM, FVM) show their limit: the need of a great number of sub-domains which induces prohibitive consumption of RAM and CPU power. The Monte Carlo method appears to be more appropriate, but the difficulty to build probabilistic models of complex systems forms a bottleneck. A systemic approach is proposed to alleviate it and is implemented to create a proof-of-concept dedicated to the coupled heat transfer simulation. After a successful validation step against analytical solutions, this tool is applied to illustrative cases (emulating heat transfer in buildings and in solar heating systems) in order to study its simulation capabilities.This approach presents a major beneficial behavior for complex systems simulation: the computation time only depends on the influential parts of the problem. These parts are automatically identified, even in intricate or extensive geometries, which makes the simulation self-adaptive. In addition, the computational performance and the system scale ratio are completely uncorrelated. Consequently, this approach shows an exceptional capacity to tackle multiphysics and multiscale problems. Each temperature is estimated using exploration paths. By statistically analyzing these paths during the process, the tool is able to generate a reduced predictive model of this physical quantity, which is bringing a self-learning capacity to the simulation. Its use can significantly improve optimization and control of processes, or simplify inverse measurements. Furthermore, based on this model, an uncertainty propagation analysis has been performed. It quantifies the effect of uncertainties affecting boundary conditions on the temperature. Finally a Particle Swarm Optimization (PSO) process, based on simulations done by the framework, is successfully carried out.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et l’optimisation de machines électriques pour des applications à entraînement direct. Ils s’inscrivent dans un contexte de réduction de l’utilisation des aimants en terres rares et d’amélioration du rendement énergétique. Un état de l’art des machines électriques est réalisé et l’accent est mis sur les machines à flux radial et axial pour les applications à fort couple et basse vitesse. Une classification est établie visant à identifier les structures intéressantes et innovantes. L’étude de la machine radiale est d’abord réalisée. Une étude comparative de différentes machines issues de l’étude bibliographique est effectuée. Cette étude a permis de choisir une structure originale à bobinage concentré sur dents et aimants en multi-V. Dans le but de calculer les performances du moteur avec un temps de calcul réduit, une modélisation analytique multi-physique de la structure est réalisée. Un premier dimensionnement de la machine a conduit à la définition d’un prototype qui a servi à la validation expérimentale du modèle multi-physique. Une approche de conception par optimisation multi-objectifs est adoptée pour obtenir les machines optimales répondant à un cahier des charges industriel. La suite de l’étude concerne une machine à flux axial à structure innovante. Il s’agit d’une machine à double rotor et simple stator avec plusieurs barrières de flux par pôle. Une étude par éléments finis est d’abord réalisée afin de valider le passage d’un modèle tridimensionnel à modèle bidimensionnel. L’analyse des pertes fer a permis de choisir les matériaux utilisés au stator et aux rotors. L’étape suivante consiste à établir un modèle analytique multiphysique de la machine à flux axial et de l’optimiser selon le même cahier des charges que celui de la machine radiale. Finalement, une comparaison entre les deux structures radiale et axiale est effectuée pour évaluer les avantages en termes de densité de couple. / The work presented in this thesis deals with the modeling and optimization of electrical machines for direct drive applications. The objective is to reduce the use of rare earth permanent magnets along with the improvement of the motor’s efficiency. A state of the art of electrical machines is realized. It focused on radial and axial flow structures for high torque and low speed applications. A classification is established to identify interesting and innovative structures. Firstly, the radial machine is studied. The choice of the structure is made after a finite element comparison of different machines resulting from the literature. This led to an original structure with concentrated winding and multi-V shape barriers. Then, a multi-physics analytical modeling of the structure is detailed in order to calculate the performances with a reduced calculation time. A preliminary design led to the definition of a prototype which was used to experimentally validate the multi-physics model. An optimization design approach is adopted to obtain optimal machines meeting industrial specifications. Secondly, a novel axial flux structure is studied. It is a machine with double rotor and single stator with several barriers per pole. A finite element study is carried out in order to validate the transition from a three dimensional to a two-dimensional model. The analysis of iron losses made it possible to choose the materials used in the stator and the rotors. Then, the development of a multi-physics analytical model for the axial machine is proposed. It is used to optimize the structure according to the same specifications defined for the radial machine. Finally, a comparison between the radial and axial structures is performed in order to evaluate the advantages in terms of torque density.

Compte tenu de l'importance de maintenir une qualité optimale des cordons de soudure et l'impossibilité d'assurer tout risque de manque de pénétration et de fusion par des contrôles non-destructifs, cette thèse permettra de développer une expertise et des outils numériques pour la simulation numérique tridimensionnelle des procédés de soudage par fusion afin de prédire la géométrie finale du cordon. Pour ce faire, on implémente une méthode de suivi d'interface afin d'améliorer la prise en compte des phénomènes thermophysiques au niveau des surfaces libres déformables. Cela permettra en outre de prendre en compte les forces agissant à la surface du bain métallique telles que la tension de surface, la gravité et la pression d'arc. Puis, il est envisagé d'améliorer l'estimation du transfert thermique entre l'arc et les pièces à assembler via un couplage instationnaire des modèles de plasma et de bain de fusion pour ainsi simuler de façon optimale la forme finale du cordon de soudure. Cette thèse permettra de traiter certaines applications industrielles spécifiques à EDF, en particulier les soudures d'étanchéité de faible épaisseur, permettant des études approfondies sur les opérations de réparations par soudage en corniche. / In order to ensure total safety during maintenance operations within nuclear power plants, it is mandatory to preserve the optimal quality of the internal weld beads. To this end, we use Computational Magnetohydrodynamics to simulate adjacent phenomena within the plasma and the weld pool in order to improve the knowledge of welding operating process. One of the difficulties is to take into account the effects induced by the thermal gradient and the variations of surfactant element concentrations on the weld pool surface known as the Marangoni effect. In order to take into account all the physical phenomena at the plasma / weld pool interface, we use an interface tracking method (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) to improve the simulation of weld pool with free surfaces. Subsequently, it enables to capture more precisely the interfacial forces such as the Marangoni effect, the arc pressure and the gravity, and improve vertical welding simulation. Thus, this work is part of the development of a tridimensional unsteady two-way coupling in order to overcome the Gaussian boundary condition used to model the heat transfer from plasma torch towards the work piece surface. Ultimately, we could obtain an unified model for an optimal welding process simulation.

Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel. / This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design of two applications by imposing the constraint of using the same magnetic lamination. On one hand it is an application of fixed speed and on the other hand an application of electric traction. The optimization method used is a type of differential evolution optimization. The results of the optimizations realised determine the optimal designs or the optimal compromise with Pareto front which deal with both applications. Finally, this thesis has placed the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine among structures of machines with great industrial potential.