Cette thèse propose une modélisation du bruit d'origine aérodynamique, avec une attention particulière aux mécanismes de transfert d'énergie entre l'écoulement et le milieu de propagation. Une première partie aborde le problème de la création et du transport de l'énergie acoustique en milieu aérodynamique. Trois grands courants de pensée sont identifiés : l'approche eulérienne linéarise les équations valables en cas de fluide parfait pour former une loi de conservation ; l'approche dissipative développe les équations de Navier-Stokes, fait intervenir les fluctuations de vorticité comment moteur du mouvement acoustique ou décompose la quantité de mouvement en une théorie potentielle ; l'approche lagrangienne décrit le déplacement lagrangien de la perturbation qui suit le passage de l'onde acoustique. La première est la plus naturelle. La deuxième est la plus complète et la seule à expliquer la création d'énergie par l'aérodynamique. Une théorie générale voyant l'acoustique comme le seul champ généralisé qui se trouve piégé par l'aérodynamique en découle. La dernière est la plus prometteuse pour l'avenir. Dans une deuxième partie, les moyens permettant le calcul du champ acoustique à partir d'une sollicitation surfacique sont présentés. Il s'agit de la méthode d'extrapolation des ondes de Kirchhoff basée sur la pression, la formulation de Ffowcs-Williams & Hawkings basée sur les débits, et l'intégrale de Rayleigh basée sur une vitesse vibratoire. Une troisième partie de la thèse utilise les formalismes d'excitation surfacique pour étudier la réaction du milieu acoustique à des excitations génériques sous formes de paquets d'onde, représentatives de l'aérodynamique instationnaire. La réponse acoustique est caractérisée par la direction d'émission privilégiée du rayonnement et son efficacité, défini comme le taux de transfert d'énergie entre l'excitation et son milieu. On montre notamment que l'introduction d'une dissymétrie amont-aval dans l'excitation augmente fortement son efficacité, de même que la prise en compte d'un milieu de propagation en mouvement uniforme. Dans une dernière partie, ces considérations sont étendues au rayonnement d'une couche de mélange et adaptées en se basant sur l'analogie de Liepmann. Cette approche peu répandue est une intégrale de Rayleigh dont l'excitation est la dérivée temporelle de l'épaisseur de déplacement. Les résultats sont comparés avec la base de données d'une simulation acoustique directe et des deux autres méthodes surfaciques. La directivité n'est pas retrouvée par la modélisation proposée. On montre que la prédiction des niveaux nécessite de modéliser une impédance de rayonnement. / This study proposes a model for the noise generated aerodynamically, while focusing on energy transfer mechanisms between the main flow and the propagating medium. Energy harvest in aerodynamic condition is therefore the subject of a first part. Three general trends may be identified ; the eulerian approach uses linearized Euler's equations for inviscid flows in a form of a conservation law ; the dissipating approach expands Navier-Stokes equations in series, relies on vorticity fluctuations to excite the medium or splits velocity or momentum vectors in a general potential theory ; the lagrangian approach describes the lagrangian displacement of the perturbation inherent to an acoustic wave. The first approach is the most commonly adopted. The second one is the most complete and provides aerodynamical mechanisms for energy generation. A general fashion follows where acoustics is a generalized field, trapped by a hydrodynamic impedance. The last one may be subject of close attention for future considerations. In a second part, computational models are presented with their ability to predict acoustic radiation from a surface excitation. These are the Kirchhoff formalism based on the pressure, the Ffowcs Williams & Hawkings formalism based on the mass flow rate and the Rayleigh integral based on the vibration velocity. These are applied in a third part of the study to investigate the response of the acoustic medium to a generique excitation in the form of a wavepacket, representative of unsteady aerodynamics. Such acoustic response is caracterised by its direction of maximum radiation and its efficiency, defined as the rate of energy transfer between the excitation and its surrounding medium. Introducing an upstream-downstream asymmetry in the excitation is showed to significantly enhance its efficiency, as well as a convection velocity in the propagating medium. Within these general considerations, the last part of this study models acoustic excitation in a mixing layer flow based on Liepmann's analogy. This relatively unexplored theory consists in a Rayleigh integral excited by the temporal derivative of the displacement thickness. Results are compared with direct noise computation database and two other methods of surface excitation. Directivity is likely to be found while pressure amplitude is correctly predicted by using a model for radiation impedance.

Cette thèse comporte deux volets indépendants mais tous deux motivés par la modélisation mathématique et la simulation numérique de procédés photovoltaïques. La Partie I traite de systèmes d’équations aux dérivées partielles de diffusion croisée, modélisant l’évolution de concentrations ou de fractions volumiques de plusieurs espèces chimiques ou biologiques. Nous présentons dans le chapitre 1 une introduction succincte aux résultats mathématiques connus sur ces systèmes lorsqu’ils sont définis sur des domaines fixes. Nous présentons dans le chapitre 2 un système unidimensionnel que nous avons introduit pour modéliser l’évolution des fractions volumiques des différentes espèces chimiques intervenant dans le procédé de déposition physique en phase vapeur (PVD) utilisé pour la fabrication de cellules solaires à couches minces. Dans ce procédé, un échantillon est introduit dans un four à très haute température où sont injectées les différentes espèces chimiques sous forme gazeuse, si bien que des atomes se déposent petit à petit sur l’échantillon, formant une couche mince qui grandit au fur et à mesure du procédé. Dans ce modèle sont pris en compte à la fois l’évolution de la surface du film solide au cours du procédé et l’évolution des fractions volumiques locales au sein de ce film, ce qui aboutit à un système de diffusion croisée défini sur un domaine dépendant du temps. En utilisant une méthode récente basée sur l’entropie, nous montrons l’existence de solutions faibles à ce système et nous étudions leur comportement asymptotique dans le cas où les flux extérieurs imposés à la surface du film sont supposés constants. De plus, nous prouvons l’existence d’une solution à un problème d’optimisation sur les flux extérieurs. Nous présentons dans le chapitre 3comment ce modèle a été adapté et calibré sur des données expérimentales. La Partie II est consacrée à des questions reliées au calcul de la structure électronique de matériaux cristallins. Nous rappelons dans le chapitre 4 certains résultats classiques relatifs à la décomposition spectrale d’opérateurs de Schrödinger périodiques. Dans le chapitre 5, nous tentons de répondre à la question suivante : est-il possible de déterminer un potentiel périodique tel que les premières bandes d’énergie de l’opérateur de Schrödinger associé soient aussi proches que possible de certaines fonctions cibles ?Nous montrons théoriquement que la réponse à cette question est positive lorsque l’on considère la première bande de l’opérateur et des potentiels unidimensionnels appartenant à un espace de mesures périodiques bornées inférieurement en un certain sens. Nous proposons également une méthode adaptative pour accélérer la procédure numérique de résolution du problème d’optimisation. Enfin, le chapitre 6 traite d’un algorithme glouton pour la compression de fonctions de Wannier en exploitant leurs symétries. Cette compression permet, entre autres, d’obtenir des expressions analytiques pour certains coefficients de tight-binding intervenant dans la modélisation de matériaux 2D / This thesis includes two independent parts, both motivated by mathematical modeling and numerical simulation of photovoltaic devices. Part I deals with cross-diffusion systems of partial differential equations, modeling the evolution of concentrations or volume fractions of several chemical or biological species. We present in Chapter 1 a succinct introduction to the existing mathematical results about these systems when they are defined on fixed domains. We present in Chapter 2 a one-dimensional system that we introduced to model the evolution of the volume fractions of the different chemical species involved in the physical vapor deposition process (PVD) used in the production of thin film solar cells. In this process, a sample is introduced into a very high temperature oven where the different chemical species are injected in gaseous form, so that atoms are gradually deposited on the sample, forming a growing thin film. In this model, both the evolution of the film surface during the process and the evolution of the local volume fractions within this film are taken into account, resulting in a cross-diffusion system defined on a time dependent domain. Using a recent method based on entropy estimates, we show the existence of weak solutions to this system and study their asymptotic behavior when the external fluxes are assumed to be constant. Moreover, we prove the existence of a solution to an optimization problem set on the external fluxes. We present in Chapter3 how was this model adapted and calibrated on experimental data. Part II is devoted to some issues related to the calculation of the electronic structure of crystalline materials. We recall in Chapter 4 some classical results about the spectral decomposition of periodic Schrödinger operators. In text of Chapter 5, we try to answer the following question: is it possible to determine a periodic potential such that the first energy bands of the associated periodic Schrödinger operator are as close as possible to certain target functions? We theoretically show that the answer to this question is positive when we consider the first energy band of the operator and one-dimensional potentials belonging to a space of periodic measures that are lower bounded in certain ness. We also propose an adaptive method to accelerate the numerical optimization procedure. Finally, Chapter 6 deals with a greedy algorithm for the compression of Wannier functions into Gaussian-polynomial functions exploiting their symmetries. This compression allows, among other things, to obtain closed expressions for certain tight-binding coefficients involved in the modeling of 2D materials

La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastique. / Hydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation.

La conception des groupes moto-ventilateurs au sein de Valeo Systèmes Thermiques et la prédiction de leurs performances aérauliques reposent majoritairement sur les méthodes de développement virtuel, i.e. la conception assistée par ordinateur et la simulation numérique de la mécanique des fluides. Dans ce cadre, le présent travail propose une méthodologie de prédiction et de minimisation de la composante tonale du bruit d'un groupe moto-ventilateur. L'approche adoptée est hybride et dissocie la génération et la propagation du bruit. La propagation en champ libre est calculée avec une formulation intégrale de l'analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings. Dans un premier temps, les termes-sources à la surface du rotor et du stator sont calculés par une simulation numérique instationnaire. La compacité de la pale ainsi que l'influence du maillage acoustique sur la prédiction sont ensuite investiguées. Finalement, les résultats sont comparés aux mesures expérimentales. Dans un deuxième temps, les sources acoustiques à la surface du stator sont calculées avec le modèle de Sears enrichi avec des données extraites d'une simulation stationnaire du rotor complet. Avant de procéder à la prédiction acoustique, l'influence du modèle de turbulence sur les résultats finaux est évaluée à travers une comparaison entre LES et RANS pour l'écoulement autour de profils extrudés. Enfin, la problématique de minimisation du bruit tonal est traitée en tant que problème d'optimisation où la géométrie d'une aube est paramétrée et où la recherche de l'optimum est conduite par un algorithme génétique. Cette optimisation a permis de concevoir un stator moins bruyant et adapté à l'écoulement en aval du rotor étudié. / The design of fan systems at Valeo Thermal Systems and the prediction of their aerodynamic performances rely mainly on virtual development methods, i.e. computer-aided-design and computational fluid dynamics. Within this context, this dissertation develops a methodology for predicting and minimizing the tonal noise of a fan system. The hybrid approach is used, thus separating noise generation and propagation. The free-field propagation is computed via an integral formulation of the Ffowcs-Williams and Hawkings analogy. In a first step, the source terms located at the surfaces of the rotor and the stator are extracted from an unsteady numerical simulation. The compactness of the blade and the influence of the acoustic mesh on the prediction are then investigated. Finally, the computational results are compared to the experimental ones. In a second step, the acoustic sources at the surface of the stator are computed with Sears' model. Its inputs are extracted from a steady simulation of the whole rotor. Before proceeding to the acoustic prediction, the influence of the turbulence model on the final results is assessed via a comparison between LES and RANS simulations of the flow around airfoils. Finally, minimizing tonal noise is formulated as an optimization problem. The shape of a stator-blade is parametrized and the optimization is conducted with a genetic algorithm. The resulting stator is less noisy and adapted to the flow downstream of the studied rotor.

L'objectif de cette thèse est de modéliser la transmission du paludisme dans la région montagneuse de l'ouest du Kenya, en se servant des outils de systèmes dynamiques. Nous considérons deux modèles mathématiques. Le premier prend en compte une susceptibilité et une infectivité différentielle dans les métapopulations, et le second un taux de saturation des repas sanguins dans la population des moustiques. Dans le premier modèle, nous considérons plusieurs écosystèmes identifiés comme zones sensibles dans la région montagneuse de l'ouest du Kenya. Dans ce modèle, ces zones sensibles sont considérées comme nos différents patchs. Les populations de chaque patch sont divisées en deux : les enfants et les adultes. Le modèle nous permet d'évaluer le rôle de l'hétérogénéité de l'écosystème et la persistance de l'épidémie dans la région, due à la structuration d'âge. Nous prenons en compte la susceptibilité et l'infectivité différentielle afin d'étendre le modèle d'un patch en un modèle à plusieurs patchs. Après avoir subdivisé la région en n zones sensibles, nous faisons une analyse mathématique du modèle obtenu. Pour effectuer cette analyse, nous utilisons la théorie des systèmes triangulaires, des systèmes dynamiques monotones, des systèmes dynamiques non linéaires anti-monotones et le principe d'invariance de LaSalle. Un des éléments très utilisés dans notre analyse qui est un concept clé en épidémiologie, est le taux de reproduction de base, très souvent noté Ro. Cette quantité, sans dimension, est le nombre moyen de cas secondaires, engendré par un individu infectieux typique durant sa période d'infectiosité, quand il est introduit dans une population constituée entièrement de susceptibles. L'existence et la stabilité du point d'équilibre sans maladie (DFE) sont établies et nous prouvons que le DFE est globalement asymptotiquement stable lorsque Ro<1. Lorsque Ro>1, le modèle admet un point d'équilibre endémique qui est globalement asymptotiquement stable. L'analyse de notre modèle montre que la structuration d'âge réduit l'ampleur de l'infection. En utilisant les données relevées, nous faisons quelques simulations numériques afin de montrer l'impact de la métapopulation et de la structuration d'âge sur le taux de reproduction de base. Dans la seconde partie, nous formulons un modèle de paludisme avec saturation du taux d'alimentation des moustiques qui nous conduit à une incidence non linéaire. Nous démontrons que DFE est globalement asymptotiquement stable si Ro<1. Lorsque Ro>1, il existe un unique point d'équilibre endémique qui est globalement asymptotiquement stable. Des simulations numériques sont faites afin d'illustrer l'impact de la saturation d'alimentation sur le taux de reproduction de base / The objective of this thesis is to model highland malaria in western Kenya using dynamical systems. Two mathematical models are formulated ; one, on differentiated susceptibility and differentiated infectivity in a metapopulation setting with age structure, the other, a saturated vector feeding rate model with disease induced deaths and varying host and vector populations. In the first model, we consider the different ecosystems identified as malaria hotspots in the western Kenya highlands and consider the ecosystems as different patches. The population in each patch is classified as, either child or, adult. The model will aid in examining the role of ecosystem heterogeneity and age structure to the persistent malaria epidemics in the highlands. We formulate the differentiated susceptibility and infectivity model that extend to multiple patches the well known epidemiological models in one patch. Classifying the hot spots as n patches, we give its mathematical analysis using the theory of triangular system, monotone non-linear dynamical systems, and Lyapunov-Lasalle invariance principle techniques. Key to our analysis is the definition of a reproductive number, Ro, the number of new infections caused by one individual in an otherwise fully susceptible population throughout the duration of the infectious period. The existence and stability of disease-free and endemic equilibrium is established. We prove that the disease free state of the systems is globally asymptotically stable when the basic reproduction number Ro<1, and when Ro>1 an endemic equilibrium is established which is locally and globally asymptotically stable. The model shows that the age structuring reduces the magnitude of infection. Using relevant data we did some simulation, to demonstrate the role played by metapopulation and age structuring on the incidence and Ro. In the second part we formulate a model for malaria with saturation on the vector feeding rates that lead to a nonlinear function in the infection term. The vector feeding rate is assumed, as in the predator prey models, to rise linearly as a function of the host-vector ratio until it reaches a threshold Qv, after which the vector feeds freely at its desired rate. The two populations are variable and drive malaria transmission, such that when the vectors are fewer than hosts, the rate of feeding is determined by the vectors feeding desire, whereas, when the hosts are more than the vectors, the feeding rate is limited by host availability and other feeding sources may have to be sought by the vector. Malaria induced deaths are introduced in the host population, while the vector is assumed to survive with the parasite till its death. We prove that the Disease Free Equilibrium is locally and globally asymptotically stable if Ro<1 and when Ro>1, an endemic equilibrium emerges, which is unique, locally and globally asymptotically stable. The role of the saturated mosquito feeding rate is explored with simulation showing the crucial role it plays especially on the basic reproduction number

Avec une population mondiale vieillissante, de plus en plus de personnes sont à risque de présenter des pathologies pour lesquelles l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une modalité de choix : ainsi, le nombre d’examens IRM est en constante augmentation. Les patients âgés étant par ailleurs une population davantage susceptible de recevoir une implantation de dispositifs médicaux (tels qu’un pacemaker ou une prothèse de hanche), la sécurité des patients implantés en IRM est primordiale. En effet, cet appareil d’imagerie médicale fait intervenir différents champs électromagnétiques pouvant interagir avec un implant métallique et donner lieu à des risques potentiels pour le patient. Si des normes de compatibilité existent aujourd’hui pour soumettre individuellement les dispositifs médicaux à des tests standardisés et assurer leur innocuité en environnement IRM, les interactions entre multiples dispositifs médicaux vis-à-vis des ondes électromagnétiques radiofréquence (et des dangers qui peuvent en résulter) sont un domaine complexe qu’il est nécessaire de comprendre. L’objet de cette thèse est d’étudier ces interactions sur plusieurs niveaux : interactions intra-dispositif, interactions inter-dispositifs et interactions entre dispositif et plusieurs antennes. Une méthode de prédiction d’échauffement a été proposée pour simplifier l’étude de larges gammes d’implants, suivant les variations de paramètres caractérisant les différentes parties au sein d’une prothèse. Des simulations électromagnétiques et thermiques, associées à des mesures expérimentales dans un environnement IRM clinique, ont permis de mettre en évidence des phénomènes de couplages entre deux implants simplifiés et d’introduire une nouvelle métrique pour les quantifier. Enfin, une étude multi-antennes a fourni des éléments de réponse à la question de la sécurité d’un patient implanté en présence de plusieurs antennes, dans une configuration semblable à celle des examens en routine clinique. Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi permis d’évaluer les interactions vis-à-vis de la radiofréquence de l’IRM en présence d’un ou plusieurs dispositifs médicaux et antennes, ouvrant plusieurs perspectives pour aller vers une IRM sûre pour tous / With an aging population worldwide, more and more persons are at risk of suffering from pathologies which are best diagnosed or monitored with Magnetic Resonance Imaging (MRI): thus, the number of MRI exams is constantly increasing. Moreover, elderly patients being likely to undergo a medical device implantation (such as a pacemaker or a hip prosthesis) the safety of implanted patient in MRI is crucial. The medical imaging technique involves indeed different electromagnetic fields which can interact with a metallic implant and lead to potential hazard for the patient. Even though compatibility guidelines exist today to subject individually medical devices to standardized tests and ensure their harmlessness in an MRI environment, the interactions between multiple medical devices with respect to radiofrequency electromagnetic waves (and to the hazards that may follow) are a complex research area that has to be understood. The aim of this thesis is to study these interactions on different levels: intra-device interactions, inter-devices interactions and interactions between a device and several antennas. A prediction method has been proposed to simplify the study of large range of implants, according to the variations of parameters characterizing the different parts of a prosthesis. Electromagnetic and thermal simulations, associated with experimental measurements in a clinical MRI environment, allowed to highlight a coupling phenomenon between two simplified implants and to introduce a new metric to quantify them. Finally, a multi-antenna study led to some insights to answer the question of the safety of an implanted patient with several antennas, in a configuration similar to a clinical routine exam. Thus, the research work presented in this thesis allowed to assess the interactions with respect to MRI radiofrequency in presence of one or several medical devices and antennas, opening new prospects towards a safe MRI for everyone

Afin de rendre les piles à combustible à membrane échangeuse de protons viables économiquement dans le domaine automobile, des problèmes de durabilité et de coût sont à résoudre. La compréhension et le contrôle des dégradations à l'intérieur de la cellule et surtout de l'AME sont toujours le centre d’intérêt de nombreux laboratoires mais aussi d'industriels. Les milliers d'arrêt-démarrages subis par la pile provoquent une importante corrosion du support carbone. Le platine utilisé étant un catalyseur onéreux, la modélisation numérique permet l'analyse de phénomènes à moindre coût.Dans ces travaux, deux modèles ont été développés afin de modéliser les phases transitoires que sont les arrêt-démarrages. Tout d'abord, une étude sur les performances de la pile a été effectuée en utilisant le modèle. Le couplage entre les modèles le long du canal et dent/canal est introduit. Ensuite, une analyse des phénomènes se déroulant durant les arrêt-démarrages est effectuée. Des phases temporelles sont proposées afin de découper ces différents phénomènes. Le mécanisme des courants inverses (durant lequel la corrosion du carbone apparaît) est minutieusement détaillé avec l'aide du modèle. L'accent est porté sur les hétérogéneités de dégradations apparaissant entre l'entrée et la sortie mais aussi entre le canal et la dent. Enfin, le modèle est utilisé afin de simuler et proposer des stratégies de mitigations. Les tendances attendues par la littérature sont confirmées mais aussi évaluées. Parmi les idées suggerées, l'optimisation du design dent/canal tout au long du canal est proposée afin de limiter les dégradations. / In order to make Proton Exchange Membrane Fuel Cells economically viable for an automotive application, durability and cost problems have to be addressed. Understanding and mitigating degradations inside the cell especially in the MEA are still the focus of several laboratories and also industrials. The several thousands startups and shutdowns that the fuel cell underwent induce severe corrosion of the carbon support. As the catalyst used is expensive, namely platinum, modeling is a great asset to comprehend and analyze this phenomenon costwise.In this work, two models were developed for modeling the transient phases that are the startup and shutdown. First a performance study is presented to validate the use of the model and to introduce the coupling between the along the channel model and the rib/channel model. Then an analysis of the phenomena occurring during the startup (and shutdown) is carried out. Phases are suggested to break down the different phenomena. The reverse-current decay mechanism, when carbon corrosion occurs, is thoroughly detailed using the model. Degradation heterogeneities are highlighted whether they are between inlet and outlet or rib and channel. Finally the model is used to emulate and suggest mitigation strategies. Degradation trends are confirmed and evaluated. New ideas like an original flow field design are tested to mitigate degradation.

L'objectif est d'élaborer un nouveau procédé de fabrication de mousses métalliques par voie de fonderie en modélisant l'infiltration et la solidification d'un métal liquide dans un milieu poreux. La modélisation est faite en deux étapes.Tout d'abord, à l'échelle locale un brin de la mousse métallique est considéré comme un tube capillaire et l'infiltration et solidification d'un métal liquide dans un moule cylindrique est étudiée. Deuxièmement,le modèle macroscopique de la solidification diffusive d'un métal liquide dans un milieu poreux est obtenu par prise de moyenne volumique. Le modèle local est codée dans un outil CFD opensource et trois études paramétriques ont été faites permettant la détermination des relations de la longueur et le temps d'infiltration en fonction de paramètres de fonctionnement. La modélisation de la solidification d’un métal liquide dans un milieu poreux est simplifié en considérant que le moule est complètement saturé par un métal liquide au repos,par suite la solidification se produit par diffusion pure (pas de convection). L'équilibre thermique local (LTE) est considéré entre les phases solide et liquide du métal tandis qu'un non équilibre thermique local (LTNE) est retenue entre la phase métallique et le moule. Les problèmes de fermeture associés ainsi que le problème macroscopique ont été résolus numériquement. / The objective of this work is to elaborate a new manufacturing process of metal foams via casting by modelling the infiltration and solidification of liquid metal inside a porous medium.However, due to the complexity of this problem the study is divided into two steps. First, at local scale one strut of the metal foam is considered as a capillary tube and the infiltration and solidification of liquid metal inside a cylindrical mould is studied. Second, a macroscopic model of diffusive solidification is derived using the volume average method. The local model is coded in an open source CFD tool and three parametric studies were done where the relations between the infiltration length and time as function of the operating parameters are determined. The modelling of the solidification of liquid metal inside a porous medium is simplified by considering that the mould is fully saturated by liquid metal at rest, solidification occurs by pure diffusion. Local thermal equilibrium (LTE) is considered between the solid and liquid phases of the metal while local thermal non equilibrium (LTNE) is retained between the metallic mixture and the mould. The associated closure problems as well as the macroscopic problem were numerically solved.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la simulation numérique appliquée à la propulsion. Le moteur à détonation rotative (RDE) fait partie des candidats susceptibles de remplacer nos actuels moyens de propulsion grâce à l’augmentation du rendement thermodynamique du moteur. Pour conserver l’avantage de la détonation, l’injecteur doit fournir un mélange dont la qualité doit être la meilleure possible tout en limitant les pertes de pression totale. La présente étude porte sur le développement et l’optimisation numérique d’un injecteur adapté au fonctionnement d’un RDE. L’injection d’hydrogène et d’oxygène gazeux en rapport stoechiométrique est considérée pour une utilisation en propulsion fusée. Le premier objectif est de proposer un concept réaliste d’injecteur permettant de maximiser le mélange des ergols. Le second objectif est de réaliser des études du mélange dans la chambre par des simulations LES (Large Eddy Simulation). Le troisième objectif est de simuler la propagation d’une détonation rotative (RD) alimentée par différents injecteurs en régimes prémélangé et séparé. Deux éléments d’injection sont mis en concurrence. Le premier utilise le principe de jets semi-impactants de H2 et de O2. Le deuxième représente une configuration améliorée. Les simulations de RD avec les deux injecteurs donnent des résultats similaires lorsque l’injection est prémélangée. La part du mélange injecté perdu par déflagration est de 30% et la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse théorique CJ. Pour les injections séparées de H2 et O2, l’injecteur amélioré permet de conserver un bon niveau de mélange dans la chambre, contrairement à l’injecteur à semi-impact qui produit une forte stratification des ergols dans la chambre. En conséquence, la vitesse de propagation de la RD est proche de la vitesse CJ avec l’injecteur amélioré et limitée à 80% de la vitesse CJ avec l’injecteur à semi-impact. / This thesis pertains to the domain of numerical simulation for propulsion applications. The rotating detonation engine (RDE) appears to be a good candidate to replace our current means of propulsion thanks to the increase of the thermodynamic efficiency. To preserve the advantage given by the detonation mode, the injector must provide the best possible mixing of the propellants together with acceptable total pressure losses. This numerical study deals with developing and optimizing an injector adapted to the operation of a RDE. Injection of gaseous H2 and O2 at stoichiometric ratio is considered to be suitable for rocket propulsion application. The first goal is to propose an efficient injector design so that the mixing between the propellants is maximized. The second goal is to perform simulations of the mixing process in the chamber by LES (Large Eddy Simulation) computations. The third goal consists in computing the propagation of a rotating detonation (RD) fed by different injectors in premixed and separate regimes. This study allows the comparison of two injection elements. The first one uses the principle of semi-impinging jets of H2 and O2. The second one represents an improved configuration. RD simulations with both injectors provide similar results when premixed injection is considered. The part of the injected mixture that burns by deflagration is 30% and the detonation velocity remains close the theoretical CJ velocity. In the regime of separate injection of H2 and O2, the improved injector enables to keep a high mixing efficiency in the chamber whereas the semi-impingement injector produces a strong stratification of the propellants in the chamber. As a consequence, the detonation velocity is close to the CJ velocity with the improved injector and limited to 80% of the CJ velocity with the semi-impingement injector.

La compréhension du processus de stabilisation des flammes Diesel constitue un défi majeur en raison de son effet sur les émissions de polluants. En effet, la relation étroite entre la distance de lift-off (distance entre la flamme et l’injecteur) et la production de suie est maintenant bien établie. Cependant, différents mécanismes de stabilisation ont été proposés mais sont toujours sujets à discussion. L'objectif de cette thèse est de fournir une contribution expérimentale et numérique pour identifier les mécanismes de stabilisation majeurs.La combustion d'un spray n-dodécane issu d'un injecteur mono-trou a été étudiée dans une cellule à volume constant en utilisant une combinaison de diagnostics optiques : mesures hautes cadences et simultanées de schlieren, LIF à 355 nm, chimiluminescence haute température ou de chimiluminescence OH *. Des expériences complémentaires sont effectuées au cours desquelles le mélange est allumé entre l’injecteur et le lift-off par plasma induit par laser. L’évolution du lift-off jusqu’à son retour à une position d’équilibre plus en aval est ensuite étudiée pour différentes conditions opératoires. L'analyse de l'évolution du lift-off sans allumage laser révèle deux types principaux de comportement : des sauts brusques en amont et un déplacement plus progressif en aval. Alors que le premier comportement est attribué à des événements d'auto-inflammation, le second est analysé grâce aux résultats obtenus par allumage laser. Il a été constaté que l'emplacement du formaldéhyde avait un impact important sur la vitesse de retour du lift-off.Une simulation numérique directe (DNS en anglais) bidimensionnelle d'une flamme liftée turbulente se développant spatialement dans les mêmes conditions opératoires que les expériences et reproduisant l'évolution temporelle de la distance de lift-off est proposée. Du fait que les expériences montrent que la flamme se stabilise en aval du spray liquide, la DNS ne couvre qu'une région en aval où l’écoulement est réduit à un jet gazeux. La chimie de l’n-dodécane est modélisée à l'aide d'un schéma cinétique (28 espèces transportées) prenant en compte les chemins réactionnels basse et haute température. Comme observé expérimentalement, la stabilisation de la flamme est intermittente : des auto-inflammations se produisent tout d'abord puis se font convecter en aval jusqu'à ce qu'une nouvelle auto-inflammation se produise. Le mécanisme principal de stabilisation est l'auto-inflammation. Toutefois, on observe également à la périphérie du jet diverses topologies de flammes, telles que des flammes triples, qui aident la flamme à se stabiliser en remplissant des réservoirs de gaz brûlés à haute température localisés à la périphérie, ce qui déclenche des auto-inflammations. Toutes ces observations sont résumées dans un modèle conceptuel décrivant la stabilisation de la flamme.Enfin, un modèle prédisant les fluctuations de la distance du lift-off autour de sa valeur moyenne temporelle est proposé. Ce modèle a été développé sur la base d’observations faites dans l’étude expérimentale et numérique : premièrement, le suivi temporel du lift-off a été décomposé en une succession d’auto-inflammations et d’évolutions en aval. Deuxièmement, la période entre deux auto-inflammations et la vitesse d'évolution en aval ont été modélisées à l'aide de corrélations expérimentales disponibles dans la littérature. Troisièmement, le modèle a été adapté afin de prendre en compte l’effet des réservoirs à haute température sur les fluctuations de la flamme. Et enfin, le modèle a été comparé aux données expérimentales, au cours desquelles des variations de la température ambiante, de la concentration en oxygène et de la pression d'injection ont été effectuées. Dès lors que le modèle a montré une bonne correspondance avec les données expérimentales, il peut être utilisé en complément du modèle prédisant la distance du lift-off moyen afin de mieux décrire la stabilisation d’une flamme Diesel. / The understanding of the stabilization process of Diesel spray flames is a key challenge because of its effect on pollutant emissions. In particular, the close relationship between lift-off length and soot production is now well established. However, different stabilization mechanisms have been proposed and are still under debate. The objective of this PhD is to provide an experimental and numerical contribution to the investigation of these governing mechanisms.Combustion of an n-dodecane spray issued from a single-hole nozzle was studied in a constant-volume precombustion vessel using a combination of optical diagnostic techniques. Simultaneous high frame rate schlieren, 355LIF (laser-induced fluorescence) and high-temperature chemiluminescence or OH* chemiluminescence are respectively used to follow the evolution of the gaseous jet envelope, formaldehyde location and lift-off position. Additional experiments are performed where the ignition of the mixture is forced at a location upstream of the natural lift-off position by laser-induced plasma ignition. The analysis of the evolution of the lift off position without laser ignition reveals two main types of behaviors: sudden jumps in the upstream direction and more progressive displacement towards the downstream direction. While the former is attributed to auto-ignition events, the latter is studied through the forced laser ignition results. It is found that the location of formaldehyde greatly impacts the return velocity of the lift-off position.A two-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) of a spatially developing turbulent lifted flame at the same operating conditions than the experiments and reproducing the temporal evolution of the lift-off length is proposed to provide a better understanding of the flame stabilization mechanisms. The DNS only covers a downstream region where the flow can be reduced to a gaseous jet, since experimental observations have shown that the flame stabilized downstream of the liquid spray. N-dodecane chemistry is modeled using a reduced chemical kinetics scheme (28 species transported) accounting for the low- and high temperature reaction pathways. Similar to what has been observed in the experiments, the flame stabilization is intermittent: flame elements first auto-ignite before being convected downstream until another sudden auto-ignition event occurs closer to the fuel injector. The flame topologies, associated to such events, are discussed in detail, using the DNS results, and a conceptual model summarizing the observations made is proposed. Results show that the main flame stabilization mechanism is auto-ignition. However, multiple reaction zone topologies, such as triple flames, are also observed at the jet periphery of the fuel jet helping the flame to stabilize by filling high-temperature burnt gases reservoirs localized at the periphery, which trigger in its turn auto-ignitions.Finally, a model predicting the fluctuations of the lift-off length around its time-averaged value is proposed. This model has been developed based on observations made in the experimental and numerical study: first, the lift-off length time-evolution was decomposed into a succession of auto-ignition events and downstream evolutions. Second, the period between two auto-ignition and the velocity of the downstream evolution was modeled using experimental correlations available in the literature. Third, the model has been adapted to take into account the effect of the high-temperature reservoirs on the flame fluctuations. Last, the model was compared to experimental data, where the ambient temperature, oxygen concentration and injection pressure were varied. Since the model showed good agreement with the experimental data, it can be used in addition to the model predicting the time-averaged lift-off length to better describe the Diesel flame stabilization.