No / Thermoforming is widely employed in industry for the manufacture of lightweight, thin-walled products from pre-extruded plastic sheet and its largest application is in packaging. Over many years attempts have been made to simulate the process and thereby exploit modern computational tools for process optimisation. However, progress in this area has been greatly hampered by insufficient knowledge of the response of polymer materials under thermoforming conditions and an inability to measure this and other processing phenomena accurately. In recent years some address has been made to these problems through advances in measurement technologies, and in particular, the development of high speed, high strain, biaxial testing machines that are designed to replicate the conditions in thermoforming processes. In this work the development of an advanced finite element-based thermoforming process simulation is presented. At its heart is a sophisticated large strain thermally coupled (LSTC) material model for polypropylene, which has been developed after several years of research and is founded directly on biaxial test results at elevated temperatures. This material model has been demonstrated to provide an excellent fit to the biaxial data and to offer a very stable computational platform for the process simulation.The performance of the working simulation was validated through comparison with matching experimental test results, and this enabled investigation of the sensitivity of the process output (in the form of part wall thickness distribution) to changes in a range of other processing parameters. This work confirmed that the process is most sensitive to the parameters controlling plug/sheet contact friction. Heat transfer parameters were also shown to be significant and the requirement for the model to be fully thermo-mechanically coupled has been clearly established.

For semiconductor processors temperature increases leakage current, which in turn in- creases the temperature of the processor. This increase in heat is seen by other parts of the processor since heat is diffusive across a processor die. In this way, cores are thermally coupled to one another such that when the temperature of one core increases, the temperatures of all cores on the same die can also increase. This increase in temperature and power consumption is not accompanied by any increase in performance. Cores on a chip can also be performance coupled to one another since cores can share data between them. These interactions between cores present new challenges to microarchitects who seek to optimize the energy consumption of a chip multiprocessor (CMP) comprised of multiple symmetric or asymmetric processing cores. This thesis seeks to understand and model the impact of thermal coupling effects between adjacent cores in a chip multiprocessor starting with measurements with a commercial multi-core processor. The hypothesis is that the thermal coupling of compute cores will be influenced by the adjacent core’s performance characteristics. Specifically, we expect thermal coupling is related to the nature of the workloads, e.g. compute intensive workloads will increase coupling over memory intensive workloads. However, we find that simpler parameters such as frequency of operation have more impact on coupling behaviors than the workload behaviors such as memory intensity or instruction retirement rates. A model is developed to capture thermal coupling effects and enable schemes to mitigate its impact.

Le refroidissement électronique de jonctions tunnel Supraconducteur - Isolant - métal Normal (S-I-N) a lieu grâce la bande d'énergie interdite du supraconducteur, qui agit tel un filtre laissant passer les électrons les plus énergétiques par effet tunnel. Cependant, l'efficacité de tels refrigérateurs électroniques est habituellement plus faible que les prédictions théoriques. Après l'introduction des équations basiques décrivant le refroidissement électronique dans une jonction tunnel, nous présentons les différentes limitations fondamentales, parmi elles les couplages thermiques entre bains thermiques d'électrons ou de phonons et la relaxation des quasi-particules. Afin d'avoir une meilleure compréhension des différents couplages thermiques en jeu, nous avons mis au point une expérience permettant de mesurer indépendamment la température des électrons et des phonons. Un réfrigérateur hors équilibre est ainsi étudié dans les régimes de refroidissement et de chauffage. Les résultats sont interprétés en utilisant un modèle thermique qui tient compte des transferts de chaleur entre électrons, phonons et photons. En particuliers, le canal photonique de chaleur lié au bruit thermique dans les résistances du circuit apporte une contribution de chaleur supplémentaire dépendant de la transmission du circuit de couplage. Enfin nous nous sommes intéressées à l'amélioration du refroidissement électronique sous champ magnétique, facilitant la relaxation des quasi-particules dans le supraconducteur. Enfin nous avons développer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de large jonctions S-I-N-I-S avec un ilôt métallique suspendu totalement découplé du substrat. / Electronic cooling in Superconductor - Insulator - Normal metal (S-I-N) junction is based on the energy selectivity of electron tunneling induced by the superconductor energy gap. Nevertheless, the efficiency of coolers based on such junctions is usually significantly less than theoretically expected. After introducing the principle of superconducting micro-coolers, we present the fundamental limitations to electronic cooling. We focus on the different thermal couplings between electron and phonon thermal baths and the relaxation of hot quasi-particles deposited in the superconductor. We have designed an experiment to monitor independently electron and phonon temperatures. An electronic cooler was studied under out-of-equilibrium conditions, in both the cooling and the heating regimes. The results are interpreted using a thermal model, which takes into account the heat transfers between the electron, phonon and photon baths. In particular, the photonic heat flow related to the thermal noise arising in the circuit resistors can bring an additional heat contribution, depending on the transmission of the biasing circuit. Moreover, we investigate the enhancement of quasi-particles relaxation under magnetic field, leading to an enhanced quasi-particle relaxation. Finally we develop a process enabling to fabricate a S-I-N-I-S cooler with large junctions and a suspended Normal metal island decoupled from the substrate.

A novel modification to the standard cascode amplifier architecture is presented in SiGe which allows for an optimal separation of gain and breakdown functions through the mixed breakdown cascade architecture, opening the door for moderate power amplifiers in SiGe. Utilizing this technique, a two-stage, high-gain amplifier operating at X-Band is fabricated and measured. The 20 dB of gain per stage represents the highest gain at X-Band at the time of publication. Additionally, a near one Watt power amplifier is designed and fabricated at X-Band, which represents the highest output power in SiGe at X-Band at time of publication. Related to the power amplifier design, thermal considerations are also investigated. The validity of utilizing lumped mutual thermal coupling in SiGe devices is presented. Using this finding, a thermal coupling model and network which are compliant for use with commonly available HBT models and circuit simulators is presented. This model and network is used to thermally optimize SiGe PA cells based upon layout spacing.

Le givrage a été identifié comme un danger important dès le début de l'aéronautique.L'accrétion de givre sur les ailes d'avion, due à la présence de gouttelettes surfonduesdans les nuages, cause parmi d'autres conséquences néfastes une dégradation des performancesaérodynamiques pouvant conduire au décrochage. C'est pourquoi les avionneursdéveloppent depuis longtemps des systèmes de protection. Comme les essais en vols ou ensoufflerie sont souvent complexes à mettre en oeuvre et onéreux, la simulation numériqueest devenue un outil efficace et complémentaire pour dimensionner ces systèmes.Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la modélisation de l'accrétion de givre, duruissellement et des systèmes de protection thermique. Elle s'articule en sept chapitres.Après avoir présenté les enjeux et contexte, on introduit une approche tricouche permettantde modéliser l'accrétion de givre et le ruissellement de manière instationnaire. Les troischapitres suivants traitent des méthodes de discrétisation de ce modèle ainsi que de soncouplage avec un modèle du système de protection thermique. Les deux derniers sontconsacrés à la présentation des résultats de simulations numériques montrant l'intérêt del'approche développée et la faisabilité de simulations complètes de phénomènes d'accrétionde givre sur une paroi chauffée ou non. / Icing has been identified as a serious issue since the start of aeronautics. Ice accretion onwings, due to supercooled droplets inside clouds, leads to severe degradation of aerodynamicperformances, among other undesirable effects. Therefore, aircraft manufacturers have sincea long time developed ice protection systems. As flight tests or wind tunnel experimentsare often complicated to implement and expensive, numerical modeling is an effective andcomplementary tool to design those systems. This thesis concerns the modeling of ice accretion, runback and thermal ice protectionsystems. It consists of seven chapters. The first one is dedicated to the presentation of theconcerns and the context. Then a three layer approach allowing to model in an unsteadyway ice accretion and runback is presented. Following three chapters deal with this modeldiscretization as well as a method to couple it with a thermal ice protection system model.Two last chapters are dedicated to numerical simulations showing the sake of the approachand the feasibility of a whole simulation of ice accretion on a heated or unheated surface.

Pour améliorer le rendement des moteurs essence, une méthode efficace est le downsizing qui consiste en la diminution de la cylindrée moteur compensée par l’ajout d’un compresseur pour maintenir la puissance. Lorsque le niveau de downsizing est trop important les fortes pression et températures rencontrées favorisent l’apparition de phénomènes d’auto-allumage de type cliquetis ou rumble néfastes pour l’intégrité du moteur. Ce type de phénomène, aujourd’hui encore mal compris, constitue une limite à l’utilisation du downsizing. Dans cette thèse la Simulation aux Grandes Echelles est utilisée pour étudier ce type de combustion dite anormale. L’objectif est de proposer une méthodologie numérique capable de reproduire leurs apparitions pour en étudier les mécanismes. L’auto-allumage est un mode de combustion sensible aux variations des conditions thermodynamiques locales. Des méthodes numériques précises et des modèles appropriés, en particulier pour la thermique paroi doivent donc être utilisés. La première partie de ce manuscrit présente la méthodologie numérique proposée et en particulier deux aspects développés lors de cette thèse: un modèle d’auto-allumage qui permet de reproduire le délai d’auto-allumage des gaz frais avec un schéma cinétique réduit et une méthodologie de couplage entre la chambre de combustion et la culasse permettant de définir des champs de températures paroi réalistes. La seconde partie de ce manuscrit présente les résultats de deux études numériques reproduisant certains points de fonctionnement d’un moteur expérimental. La première étude est réalisée à l’aide de modèles de combustion de la littérature et vise à reproduire le comportement expérimental pour diverses variations paramétriques influant sur la combustion. La seconde étude est réalisée à l’aide des modèles développés dans cette thèse afin d’étudier l’impact de la thermique paroi dans les mécanismes d’apparition des combustions anormales. / In order to improve the efficiency of gasoline engines, one efficient solution resides in engine downsizing which consists in the diminution of the engine size with the adjunction of a compressor to keep the power output. When the downsizing level is important, the high pressure and temperature levels promote auto-ignition phenomena such as knocking or rumble that can damage the engine. This kind of combustion, still misunderstood, is a limit to further use downsizing. In this thesis, Large Eddy Simulation is used to study this kind of abnormal combustions. The objective is to propose a numerical methodology able to reproduce its apparition and to understand its mechanisms. Auto-ignition is a combustion regime very sensitive to the variations of local thermodynamic conditions. Precise numerical methods and appropriate models, especially for thermal boundary conditions must be used. The first part of this manuscript presents the proposed numerical methodology and in particular two aspects implemented during this thesis: an auto-ignition model that permits to reproduce auto-ignition delays with reduced kinetic schemes and a coupling methodology between combustion chamber and cylinder head in order to obtain realistic temperature fields for the boundary conditions. The second part of this manuscript presents the results of two numerical studies that reproduce some operating points from an experimental engine database. The first study is performed using combustion models from the literature and aims at reproducing experimental behavior for various parametric variations impacting the combustion. The second study is performed thanks to the numerical models implanted in this thesis in order to evaluate the impact of the thermal boundary conditions on the mechanisms leading to abnormal combustions.

Afin d’augmenter le rendement et la puissance spécifique des turbines à gaz, la température en entrée de la turbine haute pression a été continuellement augmentée, au point d’atteindre une valeur de l’ordre de la température de fusion des matériaux. La capacité à prédire l’écoulement (température en particulier) dans la turbine est donc un élément essentiel pour la conception des turbines à gaz, particulièrement pour celle qui ne sont pas refroidies. Toutefois, cette tâche est rendue difficile par l’extrême complexité de l’environnement dans lequel la turbine évolue (interaction avec la chambre de combustion, effets technologiques, couplage thermique fluide / solide, etc.).L’objectif de ce travail de thèse est de proposer, d’une part une stratégie de simulation numérique afin de prédire au mieux les champs aérothermiques dans une turbine haute-pression, d’autre part une méthode d’analyse permettant de quantifier l’impact des différents éléments de l’environnement sur les performances. Pour répondre à ces objectifs, des simulations instationnaires d’un étage de turbine ont été réalisées avec le code elsA, prenant en compte les effets technologiques (baignoire, refroidissement externe grâce aux évents du distributeur et aux cavités moyeu et carter du rotor qui sont alimentés par le système d’air secondaire, congés de raccordement) et les transferts thermiques conjugués. Une analyse de la production locale d’entropie a aussi été menée afin de comparer les performances aérodynamiques pour plusieurs niveaux d’approximations dans la définition de la turbine (prise en compte ou non de tel ou tel effet technologique) et de localiser l’origine de ces différences. L’analyse des résultats a montré que la hauteur de jeu et le système de refroidissement externe ont l’impact le plus significatif sur les performances aérodynamiques de la turbine. La température de paroi de la pale de rotor est de son côté fortement influencée par l’écoulement issu de la chambre de combustion, le refroidissement externe et le couplage thermique fluide / solide. Ce travail est un premier pas vers la réalisation de simulations totalement intégrées qui doivent permettre d’améliorer la précision des conceptions. / In order to increase the thermodynamic efficiency of gas turbine engines, the high-pressure turbine inlet temperature has been continually increased up to reach levels of the order of magnitude of the vanes and blades melting temperatures. The ability of predicting the flow through the turbine(especially the temperature) is a key point for the design of gas turbines, especially for the uncooled ones. However, this is challenging because of the complex environment that interacts with the turbine(hot-streak migration, technological details, fluid/solid thermal coupling . . .).The aim of this work is to develop a strategy based on CFD in order to predict aerothermal fields in a high-pressure turbine as well as an analysis allowing to quantify the impact of the environment on the turbine performances. To achieve these goals, the elsA code has been used to perform unsteady simulation of a turbine stage, taking into account technological details (squealer tip, external cooling thanks to vane trailing edge cooling and rotor hub and shroud cooling cavities, fillets) and conjugate heat transfers. An analysis of the local entropy production rate was also used to compare the performances resulting from different modeling of the turbine (taking into account or not one particular technological detail) and to localize the origin of these discrepancies. The results show that the tip height and the external cooling have the greatest impact on the turbine performances. The rotor blade temperature is mainly affected by the flow coming from the combustion chamber, the external cooling and the fluid / solid thermal coupling. This work is the first step towards the realization of integrated simulations allowing to improve the accuracy of design.

Les travaux de thèse visent à utiliser les modèles éléments finis pour l'optimisation de systèmes multidynamiques. Les modèles éléments finis sont en effet rarement utilisés en optimisation car ils génèrent des temps de calcul trop importants. Pour réduire le temps global d'optimisation, le temps de simulation du modèle lui-même peut être diminué, mais le nombre d'évaluations du modèle peut aussi être limité. Dans cette optique, les stratégies d'optimisation multigranularités sont appliquées, permettant de corriger ou de créer des modèles rapides pour l'optimisation à partir de quelques évaluations d'un modèle initial. Ce modèle est un système multidynamique intégrant un modèle éléments finis. La modélisation d'un tel système est effectuée via la méthode de relaxation des formes d'onde qui permet un couplage efficace en un temps raisonnable. Le temps de calcul est encore réduit par l'application aux modèles éléments finis électromagnétiques de méthodes de réduction de modèle. La méthode de relaxation des formes d'onde est appliquée à la modélisation d'un transformateur. Le transformateur est ensuite optimisé par des méthodes de space mapping et de krigeage. La méthode de relaxation des formes d'onde permet également le couplage d'un modèle électromagnétique non linéaire de type éléments finis avec un redresseur commandé et un modèle thermique éléments finis / These works aim at using finite element models in optimisation of multirate systems. Indeed, the finite element models are rarely used in optimisation because their computation time is too high. To reduce the duration of the optimisation process, simulation time of the model can be reduced, but the number of evaluations of the model can also be limited. In this perspective, multi-level optimisations are applied. They allow to correct or create fast models for the optimisation from a few number of evaluations of an initial model. The model is a multirate system including a finite element model. The modeling of such a system is done by waveform relaxation method which allows an efficient coupling in an acceptable computation time. Computation time is further reduced by applying model order reduction to the finite element models.The waveform relaxation method is applied to the modeling of a transformer. Then the transformer is optimised by space mapping and kriging techniques. The waveform relaxation method also allows the coupling of a finite element type electromagnetic non linear model with a rectifier and a finite element thermal model

Nous présentons une contribution à la modélisation tridimensionnelle des phénomènes électromagnétiques et thermiques couplés dans les matériaux supraconducteurs à haute température critique. La méthode des volumes finis est adoptée comme méthode de résolution des équations aux dérivées partielles caractéristiques aux phénomènes physiques traités. Le couplage électromagnétique thermique est assuré par un algorithme alterné. L’ensemble des modèles mathématico-numériques ainsi développés et implémentés sous Matlab, sont appliqués pour étudié le comportement des supraconducteurs dans le cadre des paliers magnétiques et pour étudier le comportement des supraconducteurs durant le processus d’aimantation. Les résultats à caractère magnétique et ceux à caractère thermique sont largement présentés. La validité du travail proposé est atteinte par comparaison des résultats ainsi obtenus à ceux donnés par l’expérimentation. / We present a contribution for three-dimensional modeling of coupled electromagnetic and thermal phenomena in high temperature superconductor. The control volume method is used for the resolution of the partial derivative equations characterising of the treated physical phenomena. The electromagnetic and thermal coupling is ensured by an alternate algorithm. All mathematical and numerical models thus developed and implemented in Matlab software, are used for the simulation. The results in magnetic term and those in thermal term are largely presented. The validity of the suggested work is reached by the comparison of the results so obtained to those given by the experiment.

La complexité croissante des dispositifs en électronique de puissance nécessite l'intervention de la conception assistée par ordinateur. Le développement de systèmes électriques/électroniques est effectué à l'aide du prototypage virtuel dans lequel les logiciels de simulation sont utilisés pour prédire le comportement des composants. De ce fait, le prototypage virtuel permet une économie de temps et d'argent pour la réalisation de prototypes. La demande croissante d'appareils à faible puissance et à haut rendement a obligé les concepteurs à analyser précisément les pertes de chaque composant constituant du système. Les composants magnétiques constituent une partie importante des appareils en électronique, par conséquent la modélisation précise des matériaux magnétiques est nécessaire afin de prédire leur comportement réaliste dans des conditions de fonctionnement variables selon l'application. Notre travail s'inscrit dans ce contexte et propose un modèle dynamique non linéaire de composants magnétiques pour une utilisation dans des simulateurs de circuits électriques. Ce modèle de composant magnétique inclut le comportement d'hystérésis non linéaire du matériau et permet une modélisation précise des pertes fer et des pertes joule avec de plus la prise en considération des effets thermiques qui, généralement, ne sont pas pris en compte par les modèles existants. Le modèle est basé sur le principe de la séparation des contributions statiques et dynamiques des pertes fer et s'appuie sur la théorie de Bertotti. Le langage de programmation VHDL-AMS est utilisé en raison de sa fonctionnalité de modélisation multidomaines, permettant un couplage avec un modèle thermique. Le modèle de composant magnétique est mis en oeuvre dans le logiciel de simulation de circuit "Simplorer". Il est ensuite testé dans une application de convertisseur de puissance, le convertisseur abaisseur qui permet de fournir une excitation non-conventionnelle. Le modèle est validé pour différents noyaux d'inductances, différentes ondulations de courant et niveaux de charge, différentes températures et une large gamme de fréquence / The increasing complexity of power electronic devices requires the intervention of computer-aided design in electrical engineering. Development of electric/electronic systems nowadays is carried out by the help of virtual prototyping, in which simulation software are used to predict components behavior without investing time and money to build physical prototypes. The increasing demand of low power, high efficiency devices forced designers to precisely analyze losses in each component constituting the system. Magnetic components constitute a major part of electronics devices. Therefore accurate modeling of magnetic materials is mandatory in order to predict their realistic behavior under variable operating conditions. Our work takes place in this context by proposing a non-linear dynamic model of magnetic components for use in circuit simulators. It includes the material nonlinear hysteretic and dynamic behaviors with accurate modeling of winding and core losses in addition to thermal effects that are not taken into account by existing models. The model is based on the principle of separation of static and dynamic contributions as well as Bertotti’s theory. VHDL-AMS is used as a modeling language due to its multi-domain modeling feature, allowing coupling with a thermal model. The magnetic component model is implemented in circuit simulation software “Simplorer” It is then tested in a widely used power converter application, the buck converter, to ensure non conventional excitation. The model is validated for different core inductors, different current ripples, different loads, different temperatures and a wide frequency range