Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation, le dimensionnement et la commande d'un coffre composé de supercondensateurs et d'un convertisseur DC/DC permettant d’alimenter les auxiliaires d’un trolleybus ou les moteurs de traction lors des coupures de la ligne aérienne. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés au dimensionnement du système destockage pour une application du type récupération de l'énergie au freinage d'un trolleybus. Les modèles directes et inverses de la chaine cinématique ont été étudiés afin de définir une stratégie de dimensionnement du coffre s'appuyant sur le plan de Ragon. La seconde partie aborde la problématique de la fiabilité de l'élément de stockage. Le but est d'évaluer les contraintes que subissent les supercondensateurs en cours de fonctionnement et de prédire le vieillissement de ces derniers. Pour ce faire, nous avons développé et validé un modèle électrothermique du coffre de supercondensateurs. Ce modèle électrothermique a également été couplé à des lois de vieillissement permettant ainsi de prendre en compte les variations paramétriques majeures de ce système. Les résultats de ce couplage montrent l'impact de la dispersion des températures à l'intérieur du coffre sur la durée de vie de chaquesupercondensateur et du système de stockage. Finalement, le contrôle du convertisseur statique (hacheur Buck/Boost) associé auxsupercondensateurs est abordé. Une étude théorique a été menée pour synthétiser des lois de commande par mode de glissement et par PI appliqués au mode élévateur du hacheur (Boost). Ces lois de commande ont été validées sur un banc de test constitué d'un hacheur réversible, d'une alimentation DC, d'une charge résistive et de huit supercondensateurs. La comparaisondes résultats expérimentaux mettre en évidence l'intérêt de la commande par mode glissant enraison de sa robustesse et de sa réactivité par rapport à une commande classique (PI). / The studies presented in this thesis concern the thermal modeling, sizing and control of a stack composed of supercapacitors and DC/DC converter that feeds the auxiliaries or traction motors of the trolleybus in the case of electrical microcuts. In the first part, we were interested in the sizing of the storage system for an application concerning the recovering braking energy of a trolleybus. Direct and inverse models of the kinematic chain were studied in order to define a design strategy based on the Ragon. The second part concerns the reliability of the storage system. The aim is to evaluate the stresses on supercapacitors during cycling and to predict the aging of the components. Toachieve this goal, we have developed and validated an electrothermal model of the stack. This model was then coupled to aging laws allowing taking into account the major parametric variation of the system. The results show the impact of the dispersion of temperatures inside the stack on the life time of each supercapacitors in the storage system. Finally, the control of the static converter (Buck/Boost converter) combined with supercapacitors is analyzed. A theoretical study was conducted to synthesize PI and sliding mode controller applied to a boost converter. This control laws has been validated on a test bench consisting of a reversible converter, a DC power supply, a resistive load and eight supercapacitors. The experimental results show the advantage of sliding mode control in terms of robustness and reactivity compared to a classical PI control.

La production de méthane à partir des champs hydratifères des fonds océaniques est un procédé promis à se développer et à atteindre l'échelle industrielle au cours des dix prochaines années. Cependant, les premiers essais d'extraction de méthane se sont révélés infructueux et difficiles à mener. Le phénomène de dissociation des hydrates de méthane au sein d'une matrice poreuse reste mal connu et maîtrisé: la fusion des hydrates de méthane engendre des écoulements de fluide et des transferts thermiques au sein d'un milieu poreux. Les propriétés de ce milieu poreux évoluent donc avec la disparition de la phase hydrate et la présence éventuelle d'une phase glace au cours de la dissociation. Les transferts de masse et de chaleur doivent donc être couplés, afin de tenir compte premièrement du changement de la perméabilité et deuxièmement de l'évolution de la conductivité thermique du système.<br />Dans cette étude, les transferts de masse et de chaleur ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un modèle numérique 2D est proposé dans lequel les transferts de chaleur et de masse gouvernent la dissociation des hydrates de méthane. Les résultats numériques montrent la présence de gradients de pression et de température au sein du milieu poreux et l'évolution de la frontière de dissociation selon le type de sédiment utilisé. Ce modèle est utilisé afin de dimensionner un dispositif expérimental de dissociation de carottes sédimentaires partiellement saturées en hydrates de méthane qui permet un suivi précis de la cinétique de dissociation.<br />Le montage expérimental est composé de cinq zones cylindriques de même diamètre (1/2 inch) mais de tailles différentes (pour une longueur totale de 2,6 m). Chaque zone est contrôlée en pression et en température. Chaque expérience consiste en une cristallisation d'hydrates de méthane au sein d'un milieu poreux, puis en une dissociation de ces mêmes hydrates par une méthode de contrôle de la pression à une extrémité du dispositif. La cinétique de dissociation est étudiée par le suivi de la pression dans un ballast (situé en aval du dispositif). Les résultats obtenus, via une étude paramétrique, permettent de cibler les paramètres clés de la dissociation de ces hydrates sédimentaires et d'observer leur impact sur la cinétique de dissociation. Deux régimes bien distincts de dissociation sont mis en évidence et caractérisés selon les propriétés du sédiment partiellement saturé en hydrates de méthane. Le rôle de la glace au cours de la dissociation est également étudié pour ces deux types de dissociation. <br />Enfin, la correspondance des résultats numériques et expérimentaux est mise en évidence par comparaison de courbes de cinétique de dissociation et de courbes d'évolution de la pression au sein du milieu poreux.

Dans le cadre de monitoring des puits et des réservoirs pétroliers, les études de thermométries se sont développées. Suite à l'émergence de nouvelles technologies d'acquisition avec l'apparition des fibres optiques depuis une vingtaine d'années, il est maintenant possible d'obtenir un profil de température continu à la fois sur la hauteur du puits et dans le temps. Dans ce travail, on étudie d'un point de vue thermomécanique deux modèles d'écoulements afin d'interpréter ces mesures de température. <br /><br />On couple d'abord un modèle réservoir axisymétrique avec un modèle puits pseudo 1D pour l'écoulement d'un fluide monophasique. La modélisation du réservoir intègre une équation d'énergie non-standard qui prend en compte les phénomènes de décompression du fluide (Joule-Thomson) ainsi que ceux liés à la friction dans la formation (dissipation visqueuse). Le puits est décrit par un modèle couplant classiquement les équations de Navier-Stokes compressibles avec un bilan d'énergie. Des conditions de transmission adéquates sont imposées à l'interface entre les deux domaines et ensuite dualisées par des multiplicateurs de Lagrange. On obtient ainsi une formulation variationnelle mixte non standard pour le problème couplé. Les flux sont discrétisés par des éléments finis de Raviart-Thomas. Enfin, on montre que les problèmes couplés continu et discret sont bien posés.<br /><br />On développe ensuite un modèle réservoir multi-phasique (huile, gaz et eau) et multi-composant. Compte tenu de la complexité du problème, on a choisi d'étendre un simulateur non-thermique existant GPRS (General Purpose Reservoir Simulator) en lui ajoutant une équation d'énergie adéquate et la thermodynamique correspondante. L'écoulement est régi par les équations de conservation de la masse pour chaque composant et une équation de conservation d'énergie exhaustive, couplées avec la loi de Darcy géenéralisée appliquée à chacune des phases. L'ensemble des propriétés thermodynamiques des fluides et les équilibres des phases sont calculés par l'équation d'état de Peng-Robinson. La discétisation en espace est faite à l'aide des volumes finis et le système non-linéaire obtenu est résolu par la méthode de Newton-Raphson.<br /> <br />Des tests numériques avec des données réelles validant les codes développés sont présentés.

L'intégration magnétique d'un transformateur avec une inductance sur un seul noyau magnétique, baptisée LT, se présente comme une solution prometteuse pour augmenter la densité de puissance. Une formule générale de dimensionnement a été établie pour un composant intégré. En respectant quelques hypothèses, les pertes cuivre peuvent être estimées en appliquant la méthode de Dowell ou celle de Ferreira. Ainsi, la méthode d'homogénéisation pour un fil de Litz a été validée expérimentalement et numériquement à fin de calculer les pertes par effet de proximité dans un prototype intégré. Finalement, le transfert de la chaleur d'une forme cubique par la convection naturelle et le rayonnement a été analysé numériquement et analytiquement à fin de construire un modèle thermique pour les composants magnétiques.

Mon mémoire d'HDR présente une synthèse de l'essentiel de mes activités de recherche effectuées depuis 1999. Toutefois un certain nombre de mes travaux sur la manipulation optique de nanoobjets, sur la métrologie optique et sur les transferts radiatifs instationnaires ne seront pas discutés dans ce mémoire. Les recherches qui y sont décrites concernent principalement les transferts radiatifs stationnaires dans les milieux semi-transparents denses et hétérogènes et les transferts de chaleur en champ proche dans les matériaux nanocomposites. C'est pourquoi, j'ai choisi de regrouper ces travaux sous le vocable ‘transferts de chaleur par rayonnement dans les matériaux composites micro et nanostructurés'. <br />Les développements réalisés ces dernières années dans le domaine des nanotechnologies autorisent désormais la structuration de la matière à une échelle sub-longueur d'onde jusque dans le domaine visible ce qui permet de sculpter à macro échelle les propriétés radiatives des matériaux composites et de contrôler les échanges radiatifs en champ proche dans ces milieux..<br /> La première partie de mon HDR portera sur les transferts radiatifs dans les matériaux nanocomposites à gradient de permittivité diélectrique dans l'approximation de l'optique géométrique. Des avancées spectaculaires ont récemment été faites sur ce sujet grâce aux progrès technologiques réalisés dans le domaine de la nanofabrication. Il est désormais possible de concevoir des matériaux composites complexes pour générer artificiellement une variation spatiale de la permittivité diélectrique et de la perméabilité magnétique . Nous montrerons que cette structuration permet de modeler les trajets optiques et de contrôler le flot d'énergie radiative dans ces milieux. Nous verrons qu'il existe une analogie forte entre la théorie de la relativité générale et l'électrodynamique classique dans un nanocomposite à gradient de permittivité diélectrique (i.e. la lumière expérimente la matière comme un champ gravitationnel effectif). Nous montrerons comment le transfert radiatif peut-être modélisé dans ces milieux, quels sont les effets induits par la courbure de l'espace temps sur le champ de luminance, sur l'absorption, le processus diffusion et le champ de température. Nous verrons en particulier que la courbure de l'espace temps permet dans certaines conditions d'amplifier la luminance monochromatique directionnelle dans un milieu absorbant. Enfin, nous montrerons que ces matériaux permettent de concevoir des sources thermiques cohérentes en champ lointain.<br /><br /> Dans une seconde partie nous nous intéresserons aux propriétés de cohérence du champ rayonné par des matériaux stratifiés micro et nanostructurés et à la mise au point de sources thermiques cohérentes à partir de ces matériaux. Nous commencerons par décrire le comportement émissif en champ lointain des films fins et montrerons que ces milieux peuvent se comporter comme des antennes thermiques. Nous verrons ensuite comment les structures composites planes peuvent servir à mettre au point des sources thermiques à haut de degré de cohérence spectrale simultanément pour les deux états de polarisation du champ électromagnétique. Enfin, nous montrerons qu'il est possible, pour concevoir une source thermique cohérente, d'abandonner la démarche heuristique usuelle basée sur une approche de type essai-erreur au profit d'une démarche ab-initio plus rationnelle. <br /><br /> Dans la troisième et dernière partie de ce mémoire nous présenterons nos travaux sur les transferts de chaleurs en champ proche dans les matériaux composites. Une fois de plus, on commencera par décrire le comportement des films minces. Nous verrons que lorsqu'un film supporte des ondes de surface, l'hybridation de ces modes de part et d'autre du film lui confère un comportement radicalement différent de celui des matériaux massifs. On étudiera ensuite les transferts de chaleur par interactions d'ondes de surface dans des réseaux de nanoparticules immergés dans des matrices diélectrique solides. Nous montrerons que lorsque les nanoparticules sont séparées par des distances plus grandes que leur diamètre, chaque particule peut-être considérée comme un simple dipôle en interaction avec ces voisins. Dans ce cas, nous verrons que le transfert de chaleur par interaction des polaritons de surface à travers le réseau est négligeable. En revanche, nous montrerons qu'à courtes distances de séparation (typiquement pour des distances inférieures au diamètre des particules) les interactions multipolaires peuvent devenir très importantes et augmenter significativement le transfert de chaleur. Enfin, nous étudierons le transport de chaleur dans les réseaux monodimensionnels en régime balistique et en régime diffusif .

Fruit d'une expérience de recherche de près de 30 ans dans le domaine des cavités salines, ce mémoire présente succinctement le problème industriel à l'origine de mes recherches. Qu'il s'agisse d'exploitation de sel par dissolution ou de cavités de stockage, le problème industriel ouvre en effet de nombreux axes de recherche dans diverses disciplines concernant les géomatériaux avec en particulier un couplage thermomécanique dans un matériau élastoviscoplastique subissant des transformations finies. La partie "Comportement mécanique des roches salines" rappelle les notions de base de lois de comportement d'un matériau solide et souligne deux difficultés actuelles concernant le sel gemme. Le premier problème est relatif au frettage au niveau des plateaux de la presse au cours des essais classiques de laboratoire qui peut fausser la détermination des lois qui régissent l'endommagement et la rupture de la roche (phénomène non souhaité d'hétérogénéité des contraintes dans l'éprouvette). Une démarche déjà proposée par l'auteur est utilisée pour montrer que les mêmes résultats de laboratoire concernant le phénomène de dilatance (endommagement) peuvent être interprétés par un modèle rhéologique dans lequel le matériau ne subit L'endommagement que lorsque l'une des contraintes principales est une traction. La seconde difficulté relève du caractère restreint de la gamme de validité de certaines lois classiques proposées pour décrire le comportement ductile des roches salines et en particulier la gamme de variation des contraintes (prise en compte des faibles déviateurs). Ce phénomène concernant le comportement des roches salines sous faibles déviateurs était déjà connu et ici, il est illustré par un exemple théorique original. Le chapitre "Modélisation des ouvrages souterrains" souligne l'intérêt des modélisations 1D (malgré les hypothèses simplificatrices sur la géométrie des ouvrages souterrains) et attire l'attention sur le fait qu'un modèle rhéologique qui ne représente pas correctement le comportement sous faible déviateur peut conduire à des résultats bien différents de ce qui se passe in situ. Le problème était déjà connu mais méritait que l'on y insistât avec un exemple qui peut être décliné sous diverses variantes. Dans le cadre général de la thermoélasto-viscoplasticité, il est possible d'expliquer la forte influence des faibles déviateurs sur la variation du volume d'une cavité. Par ailleurs, une méthodologie simple de prise en compte de la phase de lessivage en mécanique est présentée. On revient alors sur cette mobilité des parois des cavités durant la phase de lessivage dans le chapitre "Prise en compte du lessivage des cavités salines" mais cette fois avec l'aspect thermique. En effet, les logiciels qui modélisent le phénomène physico-chimique de dissolution ont besoin de la température dans la cavité avec une bonne précision. Aborder le problème thermique dans sa généralité (2D ou 3D) est pour le moment relativement difficile. Mais l'on peut contourner la difficulté par un modèle qui combine astucieusement des approches 1D cylindrique autour du puits, 1D sphérique autour de la cavité et 0D dans le fluide contenu dans la cavité. Une méthode originale pour le choix du modèle sphérique est décrite. Son utilisation pour un cas réel de cavité de stockage de gaz est encourageante.

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

Cette thèse présente un couplage thermodynamique pour une modélisation approfondie du processus de soudure par ultrasons, surtout la soudure des thermoplastiques. Il s'agit de bien connaître le mode de fonctionnement des ensembles acoustiques réalisant la soudure ainsi que le comportement des matériaux à souder. En conséquence, les propriétés de ces matériaux, surtout celles nécessaires pour la modélisation par éléments finis, sont identifiées. Les paramètres mécaniques et thermiques sont mesurés en statique et ils sont comparés avec les résultats calcules par homogénéisation. Certains sont déterminés en dynamique, selon la fréquence et aussi en fonction de la température. Ceci est très utile parce que les matériaux travaillent à haute fréquence ultrasonique et que la température lors de la soudure change fortement. La machine de soudage par ultrasons (l'ensemble acoustique) a déjà été conçue et fabriquée. La modélisation EF en 3D avec Abaqus nous montre bien ses comportements modaux et vibratoires. Ensuite, les matériaux à souder sont introduits en modélisants le contact dynamique entre l'ensemble acoustique et la bande à souder. Ce modèle nous permet de déterminer le temps de contact et la compression dans les matériaux en fonction de la force de maintien. La dissipation d'énergie qui est engendrée par viscosité des matériaux à souder est calculée et introduite dans le modèle couplé thermomécanique. Le transfert de chaleur dans tout l'ensemble lors de la soudure est modélisé et il montre le champ de température, surtout la température à l'interface entre deux couches de matériaux. Cette modélisation est complétée en utilisant la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) afin de tenir compte du mouvement d'avancement des bandes à souder

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d'une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS, s'inscrit dans un contexte d'amélioration des performances des turbines de type axial équipant les turboréacteurs d'hélicoptère. L'une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise de la température que voient les pales de ce composant, notamment la roue haute pression. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de deux axes principaux: * Le premier traite l'analyse de la Simulations aux Grandes Echelles (SGE) autour de pales. Une approche numérique SGE sur des maillages non-structurés est comparée aux résultats Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) sur des maillages structurés, usuels dans ce type de configuration, ainsi qu'à une approche SGE sur maillages structurés. La SGE sur maillage non-structuré démontre sa capacité à prendre en compte les phénomènes qui ont un impact sur les flux de chaleur pariétaux. * Le second axe de recherche a pour objectif de développer un outil numérique de couplage pour assurer le transfert d'information entre un code SGE réactif sur maillage non-structuré, employé dans les chambres de combustion, et un code non-réactif en RANS, utilisé par les industriels pour modéliser l'étage turbine. Cet outil a été validé sur plusieurs cas tests qui montrent le potentiel de cette méthodologie pour le couplage multi-composant.

Le phénomène de gels et d'émulsions de blow-by a été étudié à travers des essais sur banc et des travaux de modélisation. Physiquement, ces phénomènes se ramènent au changement d'état de la vapeur d'eau présent dans un gaz incondensable et en présence de particules ou de film d'huile. Pour les conditions chaudes, la condensation prédomine. Ce phénomène mérite une attention car les condensats sont susceptibles de s'accumuler puis de cristalliser (changement de direction du tube, changement de géométrie...). Les condensats peuvent se mélanger avec l'huile pour donner une émulsion visqueuse capable de boucher partiellement les tubes. Pour les conditions froides, la formation de givre est privilégiée. Il s'agit d'une matrice de glace poreuse qui bouche progressivement la conduite jusqu'à l'obturation totale. En présence d'huile, le givre piège les particules sous forme d'incrustation sans entrainer une modification des phénomènes observés. Pour les conditions intermédiaires, les condensats, le givre et la glace coexistent à l'intérieur des tubes. Ce phénomène entraine une brusque montée en pression. En présence d'huile, le condensat liquide qui se trouve le plus souvent en amont du tube est remplacé par de l'émulsion et cristallise après un certain temps de contact. La mobilité de l'eau et la position des bouchons ont été utilisées pour décrire les différents phénomènes observés. Ces deux paramètres peuvent être corrélés avec les conditions opératoires ainsi que d'autres paramètres liés aux phénomènes de transfert thermique. Ce sont le débit de condensation et le profil de température de paroi interne des tubes. Des corrélations des coefficients de transferts et des enthalpies échangées ont permis de constater l'influence des différents paramètres et les phénomènes de transfert thermique mis en jeu. Les phénomènes de transfert à l'intérieur des tubes peuvent être modélisés en se servant de l'analogie entre le transfert de masse et le transfert de chaleur et en introduisant le concept de formation de brouillard ou de stabilisation isothermique du gaz sursaturé qui se forme. Le risque de bouchon et les phénomènes prépondérants peuvent être prédits à partir des résultats de modélisation thermique en utilisant le débit de condensation et les températures de paroi maximale et minimale comme critère.