Le pneumatique est un élément essentiel pour la tenue de route, le confort et la sécurité d'un véhicule. Cependant, un sous-gonflage accentue les risques d'éclatement, provoque une usure rapide du pneumatique et augmente la consommation de carburant. Il est donc important de développer des systèmes de surveillance de la pression des pneumatiques (SSPP). Une première approche, dite "directe", consistant à utiliser des capteurs de pression s'avère onéreuse et peu fiable (possibilité de pannes). Les nouvelles générations de SSPP favorisent les méthodes "indirectes", sans capteur de pression. La surveillance est assurée à partir des grandeurs physiques liées à la pression. La baisse de la pression se traduit par une augmentation de la vitesse angulaire de la roue, un déplacement des modes vibratoires du véhicule, une diminution du rayon effectif de la roue et une augmentation de la résistance au roulement. L'approche basée sur la comparaison des vitesses angulaires des roues ne répond pas aux exigences concernant la chute de pression minimale que l'on doit détecter et le nombre de pneumatiques dégonflés détectables. Une solution fondée sur l'analyse spectrale des signaux de vitesses angulaires permet d'améliorer les performances mais présente un temps de convergence important. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de réduire le coût de calcul de ces algorithmes. Nous étudions dans le cadre de cette thèse la possibilité de se servir des modèles de la dynamique de la roue et du véhicule pour la mise en oeuvre d'observateurs de grandeurs qui dépendent de la pression. Le deuxième objectif de ce travail de thèse est de proposer des observateurs capables d'estimer conjointement le rayon effectif et la résistance au roulement des roues sans rajout de capteurs supplémentaires. Les travaux menés pendant cette thèse sont orientés vers des aspects méthodologiques et expérimentaux à travers la mise en oeuvre des méthodes et leur application à des données réelles.

L'utilisation d'ondelettes et d'outils d'analyse fractale est appropriée à l'analyse des signaux irreguliers. On pense que la caractérisation de la régularité locale est importante dans la description de ces signaux. Pour étudier la régularité, on utilise l'exposant de Hölder autour duquel plusieurs outils sont développés. Premièrement, on décrit et on compare des techniques permettant d'estimer cet exposant. Puis nous présentons une méthode d'interpolation de points basée sur la conservation de la régularité Hölderienne. Pour conclure la partie sur l'analyse Hölderienne, de nouvelles méthodes de débruitage avec contrôle de la régularité sont exposées. Ces méthodes, à base d'ondelettes, présentent des taux de convergence asymptotique similaires aux méthodes les plus performantes. Les divers outils développés peuvent être appliqués aux signaux 1D ainsi qu'aux images. Plus particulièrement, dans la deuxième partie de la thèse, on s'intéresse à des profils routiers afin de mieux modéliser le frottement pneumatique-chaussée. Ce travail entre dans le cadre de l'O.R. Adhérence du LCPC, qui a pour but de quantifier le rôle des aspérités de dimensions micrométrique à centimétrique, formant la texture des surfaces de chaussée, dans la génération du frottement. Dans cette partie, nous présentons les travaux menés aux LCPC sur la technique d'indenteur et sa combinaison au modèle de frottement de Stefani. Ensuite on démontre la fractalité des profils routiers puis l'apport des techniques d'interpolation Hölderienne et de débruitage multifractal sur le calcul du frottement. Enfin un modèle multi-echelle de frottement, provenant d'un raffinement du modèle de Stefani, est explicité.

Les enjeux médicaux et le contexte socio-économique des maladies respiratoires ont une importance majeure à l'échelle mondiale. Parmi les procédures mini-invasives classiques de traitement des maladies respiratoires, l'aérosolthérapie se distingue par sa capacité d'administrer des médicaments pour les pathologies locales, directement dans les voies respiratoires, comme les sinus ou l'arbre trachéaux-bronchique. Dans ce contexte, l'utilisation de nanoparticules à visée pulmonaire est objet de grandes avancées en aérosolthérapie car les aérosols nanométriques ont la capacité de contourner les obstacles dans les voies aériennes supérieures et se déposer dans le poumon profond, renforçant ainsi la performance thérapeutique et diagnostique de ces aérosols. Afin de contribuer à l'évolution des traitements par aérosolthérapie cette thèse s'est orientée vers le développement des nouvelles techniques de génération d'aérosols nanométriques et submicroniques, capables de cibler des régions spécifiques de l'appareil respiratoire d'un patient. La problématique majeure à être confrontée dans ce contexte est donc l'adaptation de la taille des particules de l'aérosol afin de promouvoir un dépôt ciblé chez le patient. Pour cela il est d'abord nécessaire d'avoir une large gamme de tailles d'aérosols, de micronique à nanométrique, puis déterminer la relation entre la taille des particules et leur site de dépôt dans les voies respiratoires. De ce fait, les objectifs principaux de cette thèse sont la caractérisation métrologique et l'évaluation des performances des aérosols nanométriques en termes de cartographie de dépôt. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible de générer efficacement des aérosols submicroniques et nanométriques soit solides soit liquides. Les aérosols contenant une plus grande quantité de nanoparticules ont montré un dépôt plus important dans les poumons, ce qui contribue au développement des techniques d'administration de médicaments par aérosolthérapies ainsi que pour des études toxicologiques.

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d'un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l'actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d'un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d'essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l'extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l'ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d'ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d'une part, la viabilité du concept et d'autre part, montre l'importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l'actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge.

Cette thèse, collaboration entre Michelin et l'ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l'ONERA en vue d'analyser l'écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d'identifier les mécanismes à l'origine de la production de traînée. En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l'écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l'étude de l'instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l'organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d'un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l'écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d'interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l'utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l'ensemble de l'écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues.

Les systèmes actifs d'aide à la conduite des véhicules automobiles ont besoin d'informations sur l'état du véhicule pour construire des stratégies de contrôle efficaces. L'objectif de cette thèse est de développer des observateurs à entrées inconnues qui permettent d'estimer différentes variables liées à l'état du véhicule et de son environnement. Après avoir présenté différentes modélisations du véhicule, différents observateurs d'état à entrées inconnues de systèmes linéaires et non linéaires sont exposés afin d'estimer des variables explicatives de la dynamique du véhicule.

La commande des actionneurs électropneumatiques a été un sujet largement traité au cours des dernières décennies. Le caractère fortement non-linéaire de son comportement en a fait un cas d'étude particulièrement pertinent dans le cadre d'une démarche d'application de la théorie de la commande des systèmes non-linéaires. L'utilisation de ces techniques a été comparée aux approches linéaires traditionnelles et généralement jugée largement supérieure notamment en termes de précision ou de temps de réponse. Dans ce manuscrit nous abordons très spécifiquement l'aspect multivariable du système et introduisons la transformée A-T, similaire à la transformée de Park appliquée classiquement aux systèmes électriques, afin de donner une forme strict feedback à son modèle d'état, de clarifier les phénomènes physiques mis en jeu lors de sa commande et de distinguer les deux degrés de liberté du système. Cette transformée permet en outre une comparaison directe avec les moteurs électriques décrits dans le repère de Park. Ce parallèle rend notamment possible la solution du problème délicat de l'observation de la position à vitesse nulle en transférant des méthodologies déjà validées sur des systèmes électriques. L'exploitation des deux degrés de liberté est illustrée par la synthèse de lois de commande combinant le suivi d'une trajectoire de position du piston au respect d'un second critère variable (réglage de la pressurisation moyenne, optimisation de la consommation instantanée). L'utilisation d'un actionneur électropneumatique asservi comme actionneur à compliance variable est étudiée. Une loi de commande basée sur la transformée A-T est proposée pour contrôler simultanément la position et la raideur pneumatique de l'actionneur. Une méthodologie de réglage des gains de commande est proposée pour définir l'impédance en boucle fermée du système. L'influence de la raideur pneumatique sur la raideur en boucle fermée est étudiée. L'utilisation d'une source d'énergie alternative (de l'hélium sous pression) est également pour la première fois mise en œuvre. L'influence du changement de gaz sur le dimensionnement de l'actionneur électropneumatique est étudiée et une méthodologie permettant d'utiliser les lois de commande prévues pour de l'air est proposée. L'ensemble des propositions faites dans ce manuscrit est testée et validée sur un banc d'essais à la structure inédite. Ce dernier allie deux actionneurs, l'un électropneumatique (l'actionneur étudié) et l'autre, un moteur plat électrique (l'actionneur de charge). L'utilisation de celui-ci permet la génération d'efforts perturbateurs dans une large bande passante ainsi que la modification en temps réel des paramètres mécaniques dynamiques de la charge.

L’aérosolthérapie a pour objectif de délivrer un médicament dans les voies respiratoires. Le nébuliseur pneumatique est un dispositif permettant de générer des gouttelettes de liquide de diamètre micrométrique. Son processus d’atomisation a cependant été peu analysé. Ainsi, les performances du nébuliseur, caractérisées par le diamètre des gouttes et la masse de médicament inhalable par le patient, et atteignent un palier. Notre travail consiste à utiliser un modèle numérique diphasique en 3D basé sur une géométrie donnée et paramétré sous ANSYS Fluent. Plusieurs méthodes sont utilisées pour caractériser expérimentalement la génération de l’aérosol : l’ombroscopie, la diffractométrie laser et l’anémométrie phase Doppler. Notre modèle est validé par rapport aux données expérimentales et peut donc être exploité pour analyser les processus de génération. L’influence de plusieurs paramètres physiques sur les caractéristiques de l’aérosol produit est étudiée. Ainsi, l’étape de génération de gouttelettes est optimisée pour le développement d’un nouveau nébuliseur. Le transport des gouttes aux poumons du patient est optimisé empiriquement. / The purpose of aerosol therapy is to deliver drugs into respiratory airways. The jet nebulizer is a device used to generate liquid droplets with a diameter lower than 5 μm. However its atomization process was not much analyzed. Nebulizer performances, which are characterized with droplet size and drug mass inhaled by the patient, are empirically optimized and have reached a plateau. Our work consists in setting a 3D diphasic numerical model on ANSYS Fluent, based on a given geometry. Several methods are used to experimentally characterize aerosol generation: shadowgraphy, laser diffractometry and phase Doppler anemometry. Our model is validated by experimental data and helps predicting generation processes. The influence of several geometric and physical parameters on the output is studied. From these data, droplet generation is optimized for the development of a new nebulizer. Droplet transport to the patient lungs is empirically optimized.

Cette thèse porte sur l’évaluation de plusieurs stratégies de gestion d’énergie pour un nouveau concept de moteur hybride pneumatique. Ce concept combine un moteur à combustion interne avec un système de stockage d’énergie sous forme d’air comprimée. Une soupape supplémentaire relie alors la chambre de combustion à un réservoir d’air et permet un fonctionnement en mode moteur pneumatique ou pompe pneumatique (récupératif). La première stratégie, Causale, est basée sur des principes heuristiques. La deuxième, à Coefficient de Pénalité Constant, vise la minimisation d’un critère énergétique global. Un coefficient de pondération permet de mettre en opposition, pour un travail donné, les coûts énergétiques d’un mode pneumatique d’une part et d’un mode thermique d’autre part. Le mode offrant le coût le plus faible sera choisi. La troisième stratégie, à Coefficient de Pénalité Variable, sur le même principe utilise un coefficient de pondération variable selon la quantité d’énergie pneumatique disponible. Une stratégie, à reconnaissance de situation de conduite, permet d’adapter les stratégies à la situation reconnue (par exemple, embouteillage, autoroutier). Enfin, la dernière stratégie tente de recopier la solution optimale de référence (obtenue par programmation dynamique) à l’aide d’un modèle. Toutes les stratégies ont été validées en simulation sur cycles standards. De plus une méthode, basée sur les chaînes de Markov, de constructions de cycle de conduite « artificiels » mais réalistes est proposée. Les consommations obtenues avec les différentes stratégies proposées sont comparées en référence aux consommations minimales atteignables. Les résultats montrent que 40% de gain de consommation peuvent être atteints. / This thesis presents a study of several energy management strategies for a novel hybrid pneumatic engine concept. The concept combines an internal combustion engine with a system of compressed air for energy storage. An additional charge valve connects the combustion chamber to an air pressure tank, enabling the engine to function in pneumatic motor mode or as a pneumatic pump (recuperation mode). The first strategy is called Causal and implements a rule-based control technique. The second one, called Constant Penalty Coefficient, is derived from optimal control theory and is based on an equivalent consumption minimization strategy. A penalty coefficient is introduced to evaluate, for a given torque demand, the respective energy costs of the two modes, pneumatic and conventional, enabling the mode offering the lowest cost to be chosen. The third strategy, called Variable Penalty Coefficient, is based on the same principle but uses a variable penalty coefficient depending on the amount of pneumatic energy available in the compressed air tank. Another strategy investigated, called Driving Pattern Recognition, adapts the strategies to the driving situation recognized (for example, traffic jam, or highway). The last strategy studied attempts to reproduce the optimal reference solution obtained by dynamic programming, using a neural mode. All the strategies have been validated by simulation on standard driving cycles. In addition, a method based on the Markov chain process have been develop to make ‘artificial’ yet realistic driving cycles. The consumptions obtained with the various strategies are compared with the minimal consumptions achievable. Results demonstrate that 40% of fuel saving can be achieved on certain cycles. Several of the strategies proposed give results that are close to optimal.

Cette thèse, collaboration entre Michelin et l’ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l’ONERA en vue d’analyser l’écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d’identifier les mécanismes à l’origine de la production de traînée.En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l’écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l’étude de l’instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l’organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d’un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l’écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d’interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l’utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l’ensemble de l’écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues. / As a collaborative task between Michelin and ONERA, this thesis aims to investigate the complex unsteady 3D flow around car wheels and to identify the mechanisms of drag production linked to this part of the car thanks to URANS unsteady numerical simulations using ONERA’s Navier-Stokes code elsA. The wheels (i.e. rims and tyres) are indeed a promising research topic in the field of car aerodynamics. The part of the total drag due to the wheels and wheelhouses is indeed estimated between 20% and 40%. The first step towards wheel optimisation is to achieve full understanding of the aerodynamic phenomena produced around them. The analysis of the flow for three types of tyres (smooth, rough, grooved), both around isolated wheels and around a simplified vehicle, brings further understanding of the flow physics. This work completes previous studies in this field thanks to the description of basic flows around smooth wheels and the study of unsteady effects. It describes the arrangement of vortical structures around an isolated wheel and around the front and rear wheels of a simplified vehicle. Moreover, the analysis of the flow unsteadiness facilitates understanding of the flow dynamics by highlighting the generation of the main vortices and the interaction phenomena with the car body. The validation of numerical models is performed with specific experiments by Michelin on both an isolated wheel and a vehicle configuration. Finally, the use of different tyres shows their ability to modify both space and time characteristics of the whole flow, thus modifying the power dissipated by the car drag and the rotation moment of the wheels.