L’alimentation en eau potable des 1 300 000 habitants de la Métropole de Lyon provient essentiellement de réserves souterraines, puisées sur le site du champ captant de Crépieux-Charmy. Ce captage est un système complexe de par sa superficie (375 ha), le nombre d’ouvrages de pompage (111 puits et forages), le système de réalimentation artificielle (12 bassins d’infiltration), la présence de différents bras du Rhône en interaction avec l’eau souterraine, mais également du fait de la complexité lithologique naturelle du sous-sol. La compréhension des interactions entre les compartiments de ce système est nécessaire pour assurer la pérennisation quantitative et qualitative de la ressource.La caractérisation des écoulements repose sur trois outils essentiels : l’observation, l’expérimentation et la modélisation numérique.L’observation, basée sur les nombreuses données acquises in-situ, met en évidence le rôle prépondérant de l’exploitation hydrique du site sur les écoulements (pompages et bassins). La réalimentation artificielle met en jeu, annuellement, un volume d’eau qui équivaut à la moitié du volume puisé sur l’ensemble du site, et entraîne un réchauffement non négligeable de la nappe en période estivale. Les cartes piézométriques et thermiques à l’échelle du champ captant permettent de visualiser les évolutions spatiales et temporelles des écoulements. D’après l’analyse de données, le dôme hydraulique créé par la réalimentation artificielle (et destiné à obtenir une barrière hydraulique de protection contre une contamination accidentelle des eaux de surface) semble perdurer au maximum 1 à 2 jours après l’arrêt de l’alimentation des bassins. Un indice d’infiltrabilité est défini pour déterminer la capacité d’infiltration de chaque bassin : tenant compte des diverses variables affectant la vitesse d’infiltration, une diminution temporelle de l’indice d’infiltrabilité reflète le colmatage progressif de la couche de sable de fond de bassin. Cet indice est de ce fait un outil d’aide à la décision pour la priorisation des bassins à réhabiliter.Le volet expérimental se décline en deux points : la caractérisation des fonds de bassins par essais d’infiltration (gain d’infiltrabilité par renouvellement du sable, couche compactée sous le sable caractérisée par une forte anisotropie de sa conductivité hydraulique) et la caractérisation des sens d’écoulement par traçage thermique à l’échelle d’un bassin. Un dispositif expérimental, créé de part et d’autre d’un des bassins permet de suivre l’évolution piézométrique et thermique lors des cycles de remplissage. La création des 31 ouvrages de ce dispositif expérimental a permis de mieux caractériser la lithologie en présence, de valider la présence de la zone non saturée règlementaire au droit du bassin, de confirmer l’existence d’écoulements sous le Vieux-Rhône mais aussi de mettre en évidence le fonctionnement 3D des écoulements.Enfin, un modèle numérique a été créé pour simuler les transferts d’eau et de chaleur, sur l’ensemble du site de captage. Cet outil permet d’identifier et de quantifier les sources d’alimentation de la zone de captage, de mettre en évidence la protection partielle des ouvrages de pompage par les dômes hydrauliques créés par les bassins, et de montrer la complexité des relations nappe-rivière, notamment leur dépendance au niveau d’eau. D’ores et déjà opérationnel pour des temps longs (supérieurs à 15 jours), l’outil numérique proposé est exploitable pour des scénarios d’évolutions climatiques ou d’évolutions de l’exploitation du site. Pour les temps inférieurs à deux semaines, le modèle nécessite une amélioration de la connaissance des interactions nappe-rivière et des transferts thermiques (prise en compte du non-équilibre thermique local).Mots clés : Hydrogéologie, réalimentation artificielle, essais d’infiltration, traçages thermiques, modélisation hydro-thermique 3D. / The supply of drinking water for the 1,300,000 inhabitants of Lyon Metropole mainly comes from underground reserves in the well field of Crépieux-Charmy. This well field is a complex system because of its surface area (375 ha), the number of pumping wells (111 wells), the artificial recharge system (12 infiltration ponds), the interaction between the Rhône River and groundwater, as well as its natural lithological complexity. Understanding the interactions between the compartments of this system is necessary to ensure quantitative and qualitative sustainability of the water resource.The characterization of field-scale flows is based on three essential tools: observation, experimentation and numerical modelling.The observations, based on a lot of operational field data, highlight the influence of site operation on the flows (pumping and basins). Annually, artificial recharge requires a volume of water which accounts for half of the volume pumped on the whole site. This also leads to a significant rise in water table temperatures during summer periods. Piezometric and water temperature maps at the well field scale allow for visualization of the spatial and temporal evolutions of the flow directions. According to the data analysis, hydraulic domes created by the artificial recharge (and designed to provide a hydraulic barrier to protect against accidental contamination of superficial water) seem to persist for a maximum of 1 to 2 days after water supply of the basins has been stopped. An infiltration index has been defined in order to determine the infiltration capacity of each basin. It takes into account the multiple variables affecting the infiltration rate. The temporal evolution of the infiltration capacity of each basin illustrates the fouling of the basement sand layer. The infiltration index is also a decision support tool for the prioritization of basins to be rehabilitated.The experimental component is divided into two parts: basins characterization by infiltrometer tests (increase of infiltration by renewal of the sand layer, compacted layer under the sand characterized by a strong anisotropy of its hydraulic conductivities) and characterization of the flow direction by heat tracing at scale of an infiltration pond. An experimental system, created on both sides of one of the basins allows tracking of the evolution of piezometric and water temperature during filling cycles.The creation of the 31 piezometers of this experimental system enabled better characterization of the lithology of the ground, to validate the conservation of the unsaturated zone under the basin, to confirm the existence of flows under the Vieux-Rhône River, and to highlight the three-dimensional flows.A digital model has been created to reproduce water and heat transfer on the entire well field. This tool is used to identify and quantify the sources of water of the water catchment area, to highlight the partial protection of the pumping wells by the hydraulic domes, and to show the complexity of the groundwater-river relationship, in particular their dependence on the water level. Already operational on long periods (over 15 days), the proposed digital model is useful for scenarios of climate change or changes in operational conditions. For periods shorter than two weeks, the model requires an improvement in the knowledge of groundwater-river interactions and heat transfer (taking into account the local thermal non-equilibrium).Key words: Hydrogeology, artificial recharge, infiltrometer tests, heat tracing, 3D hydro-thermal modelling.

La tendance actuelle est d’intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermiques plus sévères. L’augmentation de la fiabilité des modules de puissance passe par la connaissance précise de la température locale, même si elle ne peut être mesurée en certains points qui seraient pertinents. L’objectif principal de cette thèse est de reconstruire des grandeurs non accessibles à la mesure en utilisant des observateurs de fonctionnelle linéaire, qui permettent d’estimer la température en n’importe quel endroit à l’aide des mesures fournies à partir de capteurs thermiques situés en quelques points précis. L’utilisation de cet observateur permet de réduire la dimension du problème considéré. Dans le contexte multi-physique, nous avons développé des méthodologies et des algorithmes permettant la surveillance du comportement électro-thermique des modules d’électronique de puissance. De façon à obtenir des algorithmes d’observation, qui pourraient être mis en oeuvre sur une cible embarquée en temps réel comme un processeur de signaux numériques, nous avons proposé la conception d’un observateur de fonctionnelle linéaire en temps discret de taille réduite. En conséquence, il est nécessaire d’en réduire la taille par rapport au système initial issu du modèle, afin de limiter la complexité du calcul. L’originalité de ces travaux consiste à proposer des méthodes de conception simples des observateurs de fonctionnelle linéaire d’ordre minimal pour des systèmes complexes de grande taille. Notons que dans le cas d’un module d’électronique de puissance, certaines entrées peuvent être mal connues telles que la puissance thermique extraite par le système de refroidissement, ou celle injectée par les éléments annexes du module comme les pistes ou les fils de bonding. Ainsi, une attention toute particulière a été donnée aux observateurs de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues. Un observateur de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues permet de s’affranchir de cette méconnaissance en traitant ces entrées comme des perturbations non mesurées. Notons que nous avons choisi de présenter des résultats expérimentaux afin d’indiquer la faisabilité pratique des méthodes présentées. / The current trend of integrating powerful power modules into increasingly smaller volumes. This volume leads to new problems, especially in terms of reliability : Indeed, during their operating cycles, the semiconductor switches and their surrounding environment become subject to harshful electrothermal stresses. Thus, increase of reliability of power modules induces the precise knowledge of the local temperature, even if it can not be measured at any location. The main objective of this thesis is to estimate a physical variables in a specific non measured location, using linear functional observers allowing to estimate the temperature at any point by means of measurements provided from thermal sensors located at a few precise points. The use of this observer reduce the dimension of the considered problem. In the multi-physics context, methodologies and algorithms have been developed to allow the monitoring of electrothermal behavior power electronics modules. In order to obtain observation algorithms directly, which could be implemented on a real-time embedded target such as a digital signal processor, the application of a linear observer in the discrete time framework is proposed. Consequently, it is necessary to reduce the size compared to the initial system resulting from the model, in order to limit the calculation complexity. The originality of this work consists in proposing simple design methods for minimal order linear functional observers for large complex systems. Special attention has been given to unknown input linear functional observers. Note that in case of a power electronics module, some inputs may be poorly known such as the thermal power extracted by the cooling system, or that injected by the ancillary elements of the module as chips or bonding wire. An unknown input linear functional observer allows to overcome this lack of knowledge by treating these inputs as unknown data. Note that we chose to present experimental results so as to demonstrate the practical feasibility of the proposed methods.

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In the past decade, automobile manufacturers have gone through the initial adoption phase of electric mobility. The increasing momentum behind electric vehicles (EV) suggests that electrified storage systems will play an important role in electric mobility going forward. Lithium ion batteries have become one of the most common solutions for energy storage due to their light weight, high specific energy, low self-discharge rate, and non-memory effect. To fully benefit from a lithium-ion energy storage system and avoid its physical limitations, an accurate battery management system (BMS) is required. One of the key issues for successful BMS implementation is the battery model. A robust, accurate, and high fidelity battery model is required to mimic the battery dynamic behavior in a harsh environment. This dissertation introduces a robust and accurate model-based approach for lithium-ion battery management system. Many strategies for modeling the electrochemical processes in the battery have been proposed in the literature. The proposed models are often highly complex, requiring long computational time, large memory allocations, and real-time control. Thus, model-order reduction and minimization of the CPU run-time while maintaining the model accuracy are critical requirements for real-time implementation of lithium-ion electrochemical battery models. In this dissertation, different modeling techniques are developed. The proposed models reduce the model complexity while maintaining the accuracy. The thermal management of the lithium ion batteries is another important consideration for a successful BMS. Operating the battery pack outside the recommended operating conditions could result in unsafe operating conditions with undesirable consequences. In order to keep the battery within its safe operating range, the temperature of the cell core must be monitored and controlled. The dissertation implements a real-time electrochemical, thermal model for large prismatic cells used in electric vehicles' energy storage systems. The presented model accurately predicts the battery's core temperature and terminal voltage. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

The objective of the proposed research is to design, implement, and characterize low-cost, lightweight front-end components and subsystems in the microwave domain through innovative packaging architectures for remote sensing applications. Particular emphasis is placed on system-on-package (SoP) solutions implemented in organic substrates as a low-cost alternative to conventional, expensive, rigid, and fragile radio- frequency substrates. To this end, the dielectric properties of organic substrates RT/duroid 5880, 6002 and 6202 are presented from 30 GHz to 70 GHz, covering most of the Ka and V radar bands, giving also a thorough insight on the uncertainty of the microstrip ring resonator method by means of the Monte Carlo uncertainty analysis. Additionally, an ultra-thin, high-power antenna-array technology, with transmit/ receive (T/R) functionality is introduced for mobile applications in the X band. Two lightweight SoP T/R array panels are presented in this work using novel technologies such as Silicon Germanium integrated circuits and microelectromechanical system switches on a hybrid organic package of liquid crystal polymer and RT/duroid 5880LZ. A maximum power of 47 dBm is achieved in a package with a thickness of 1.8 mm without the need of bulky thermal management devices. Finally, to address the thermal limitations of thin-film substrates of interest (liquid crystal polymer, RT/duroid 6002, alumina and Aluminum Nitride), a thermal assessment of microstrip structures is presented in the X band, along with the thermal characterization of the dielectric properties of RT/duroid 6002 from 20 ºC to 200 ºC and from 30 GHz to 70 GHz. Additional high-power, X-band technologies presented in this work include: a novel and compact topology for evanescent mode filters, and low-profile Wilkinson power dividers implemented on Aluminum Nitride using Tantalum Nitride thin-film resistors.

Cette thèse porte sur la déformation et les migrations de fluides associées à la Faille Nord Anatolienne en Mer de Marmara (Turquie).Nous étudions tout d'abord l'évolution de la géométrie et du taux de glissement du système de faille, par deux approches indépendantes: - modélisation thermique de l'histoire d'un bassin, - définition d'un marqueur temporel de type Dépôt de Transport en Masse, daté par interprétation stratigraphique. Nous montrons que: -(1) le système de failles actuel, défini comme une faille principale accommodant la majorité de la déformation inter-plaque, n'a pas significativement évolué depuis 330.000 ± 100.000 ans dans la partie Ouest de la mer; -(2) le système de faille s'est progressivement réorganisé depuis 2.5-1.5 Ma.Dans un deuxième temps, nous étudions les processus d'initiation des Transports en Masse. Nous montrons que: -(1) même si les Transports en Masse sont contrôlés par des processus tectoniques (principalement les séismes et l'extension crustale), leur fréquence et leur taille sont conditionnées par les oscillations glacio-eustatiques; -(2) des Dépôts en Masse ont une périodicité corrélée aux transitions marins/lacustres. Cette cyclicité peut être expliquée par la diffusion d'eau saumâtre, dans les argiles marines entraînant leur gonflement et déstabilisant les sédiments. Dans une troisième partie, nous étudions la diversité des contextes des sites d'émissions de fluides en fonds de mer. Nous montrons que l'occurrence des sites d'émission de fluides est en partie liée au flux ascendant de gaz le long de couches perméables des bassins vers leurs bords, et le long des fractures du socle vers les bords des bassins et les anticlinaux. / This study addresses the issue on the deformation and the fluid migration, associated to the North Anatolian Fault within the Sea of Marmara (Turkey).First, we aim to constrain the evolution of the fault network and the slip rate through time, by two independent approaches: - historical thermal modeling of a basin of the Sea of Marmara; - definition of a Mass Transport Deposit as a fault lateral slip marker, and dated by stratigraphic interpretation. We show that: - (1) the present day fault system, formed by a main fault which accommodated the main part of the inter-plate deformation does not significantly evolved since 330.000 ± 100.000 years - (2) a progressive reorganization of the fault network occurred since the last 2.5-1.5 Ma.Secondly, we discuss the triggers of Mass Transport Processes. We show that: - (1) despite submarine mass movements are related to tectonic activity (mainly earthquakes and crustal stretching), their frequency and their size are also modulated by glacio-eustatic changes; -(2) remarkable Mass Transport Deposits display some cyclicity in stratigraphic sequences which are apparently correlated to transitions between salty marine and lacustrine environments. This cyclicity is perhaps explained by marine clay activity (swelling) under low brackish-fresh water conditions, which can trigger sediment destabilization.Third, we investigate the diversity of active fluid seepages contexts. We propose that the widespread occurrence of fluid expulsion sites can be explained by up-dip gas migration by buoyancy along permeable strata toward their edges, and along fractures within the basement toward both the edges of the basins and topographic highs.

En plus des aspects électrique, magnétique, vibro-acoustique et mécanique, les considérations thermiques doivent être prises en compte lors des phases de conception et d’optimisation des machines électriques. Ce mémoire se porte sur l’analyse et la simulation du comportement thermique des machines électriques Totalement Fermées et Non Ventilées (TFNV) et plus particulièrement sur le cas de la machine Synchro-réluctante (Synchrel), utilisée comme actionneur d’embrayage. Un modèle thermique détaillé (MTD), décrivant le comportement thermique de la machine Synchrel est conçu. Ce MTD proposé est construit grâce à une combinaison de la méthode à Constantes Localisées (CL) et d’une technique numérique de type Mécanique des Fluides Numériques (MFN). La première méthode est dédiée à la modélisation des transferts conductifs et radiatifs. La seconde permet de modéliser le mécanisme de refroidissement par convection naturelle autour de la machine Synchrel. Compte-tenu de l’importance du mode de refroidissement sur l’évolution des températures critiques, l’approche MFN peut apporter plus de précision. Par contre, elle nécessite des temps de calcul importants ce qui freine son utilisation. Afin de surmonter cette problématique, les résultats numériques obtenus pour des points de fonctionnement particuliers sont utilisés afin de définir des relations de corrélation analytiques. Cette analyse numérique est accompagnée d’une démarche expérimentale afin d’élaborer les corrélations expérimentales correspondantes. L’étude montre que les solutions numériques peuvent converger vers des solutions plus précises si l’on tient compte des données d’incertitudes introduites par cette approche. La deuxième problématique traitée est la détermination des Résistances Thermiques de Contact (RTCs) des machines électriques. Elles constituent des paramètres clefs dans la définition du MTD complet. La démarche de détermination des RTCs est basée sur deux approches d’identification paramétrique. La première est basée sur des observations expérimentales du comportement thermique de la machine. La seconde est basée sur une approche mathématique de réduction de modèle. Les valeurs déterminées sont cohérentes avec la littérature, bien que la machine Synchrel diffère en topologie, taille et puissance. En utilisant la corrélation d’origine numérique du phénomène de convection externe, le MTD complet est alors utilisé afin d’évaluer la variation de température due à l’erreur introduite par la MFN. En utilisant la corrélation expérimentale, le MTD complet est validé. Les approches d’identification paramétrique conduisent à la construction de deux modèles thermiques de second ordre de la machine. Ces modèles permettent la surveillance du comportement thermique du bobinage et du carter. Ces deux modèles simplifiés font montre d’une prédictibilité satisfaisante au regard de leur simplicité. / In addition to electrical, magnetic, vibro-acoustic and mechanical aspects, thermal considerations must be taken into account during the design and optimization of electrical machines. This study focuses on the analysis and the simulation of the thermal behavior of Totally Enclosed Non Ventilated (TENV) electric machines, specifically a Synchro-reluctant motor (Synchrel) in the context of an automotive application : a clutch actuator. A detailed thermal model (MTD) describing the thermal behavior of the Synchrel machine is designed. This proposed MTD is based on a combination of the Lumped Parameter Thermal Network method (LPTN) and the Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The first method is dedicated to model the conductive and radiative heat transfers. CFD techniques are dedicated to model the cooling mechanism based on the natural convection around the Synchrel machine. Since the critical temperature is very sensitive to the cooling mode, the CFD approach is used in this study to provide more accurate results. On the other hand, it requires considerable computing time, which prevents its use in design studies based on optimization methods. In order to overcome this problem, only some numerical results obtained for particular operating points are used to define an analytical correlation based on the numerical calculation relations. This numerical analysis goes with an experimental approach in order to elaborate the corresponding experimental correlations. This study shows that numerical solutions can present a good accuracy, if uncertainty data introduced by this approach are taken into account. The second research problem addressed in this study is the determination of the Contact Thermal Resistances (RTCs), which are key parameters in the definition of the MTD. The determination procedure of the RTCs is based on two parametric identification approaches. The first one is experimental and based on some observations of the thermal behavior of the machine. The second one is based on a mathematical model reduction approach. The determined values are consistent with results from literature, although the Synchrel machine differs in topology, size and power. Using the numerical correlations, the MTD is used to evaluate the temperature deviation due to error terms introduced by the CFD approach. Then, using these experimental correlations, the MTD’s quality can be checked and approved. Parametric identification approaches lead to the construction of two secondorder thermal models of the machine. These models allow monitoring the thermal behavior of the winding and the casing. Both simplified models show satisfactory predictability with respect to their great simplicity.

Parmi les technologies de solaire thermodynamique, la technologie du linéaire de Fresnel semble la plus adaptée aux régions d’Afrique Sub saharienne. Cela en raison de la simplicité de la technologie. C’est dans cette optique qu’un collecteur de type linéaire de Fresnel d’une superficie de 7,5 m² de miroirs a été construit au laboratoire énergies renouvelables et efficacité énergétique (LabEREE). La construction du collecteur s’est faite en utilisant en priorité les matériaux disponibles localement afinde rendre la technologie plus accessible aux populations locales et de réduire les coûts de fabrication. Des tests sont effectués sur le collecteur afin de déterminer ses rendements optiques, thermiques et globaux. Dans un premier temps, une revue bibliographie des différents collecteurs de type linéaire de Fresnel nous a permis d’identifier les variantes, de cette technologie, les plus adaptées au contexte dela région . Un modèle thermique et un modèle optique ont été mis en place comme outils de dimensionnement et d’optimisation du collecteur. Les résultats expérimentaux obtenus ont été utilisés pour valider les différents modèles mis en place. Le rendement global du collecteur obtenu expérimentalement est de 21% et il a un facteur de concentration local de 6. / Among the different technologies of concentrated solar power plant, the linear Fresnel, thanks to its simplicity, appears the most adapted to rural area of Sub Sahara region. A linear Fresnel collector of 7.5 m² has been built in “laboratoire énergies renouvelables et efficacité énergétique (LabEREE)”. The collector have been designed using material available locally by local man power. This reduces the total cost of the technology and makes it affordable for local population. The collector has been characterized in order to find optical, thermal and global efficiencies. In first time, a review on different linear Fresnel collector allows finding the technology that is most adapted to the Sub-Saharan region. An optical and thermal model of the collector has been done as a tool for designing and optimisation. The experimental results enable to validate the different models done. The collector has an effective concentration factor of 6 and a global efficiency of 21%.