Les études expérimentales et numériques suivantes visent à la compréhension profonde de l’écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE, étudié sur un banc d’essai de 2 MW au Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique (LMFA) à Lyon, France. Ce travail a trois objectifs principaux : D’abord, une description globale de l’écoulement avec une identification des limites aux méthodes d’exploration utilisées ; Ensuite, la caractérisation de l’effet du clocking stator-stator dans un compresseur à haute-vitesse ; Troisièmement, l’identification des instabilités à faibles débits pour confirmer les études sur les compresseurs à basse-vitesse et contribuer à plus de compréhension.Il est montré qu’une mauvaise interprétation des données de performance stationnaire se fait facilement en raison des contraintes de mesure et des coefficients de correction sont proposés. À certains endroits dans le compresseur, des limites aux méthodes d’exploration (expérimentales et numériques) de l’écoulement sont identifiées. Cette identification va permettre la poursuite du développement des méthodes. Les principales erreurs de prédiction des simulations concernent la surestimation du blocage induit par l’écoulement de jeu et l’augmentation de pression. En outre, les mesures fournies par les sondes de pression pneumatique surestiment la pression statique en amont des stators. Cette erreur est probablement provoquée par l’interaction entre le champ potentiel du stator et la sonde elle-même. De plus, l’anémométrie Doppler laser surestime la vitesse en aval des stators. Le transport des sillages du rotor à travers des stators n’est pas correctement capturé avec les particules d’ensemencement.Le clocking a seulement un petit effet global dans la bande d’incertitude de mesure dans ce compresseur. Plusieurs contributions à ce faible effet de clocking sont identifiées par l’analyse du transport des structures d’écoulement : Le mélange circonférentiel du sillage de stator et la déformation des sillages le long de leur trajet dans l’écoulement. L’effet local du clocking dépend de la hauteur de veine en raison de la variation de la forme des aubages et du transport des sillages. Des effets positifs et négatifs sont présentés, qui globalement se compensent dans ce compresseur. Les instabilités dans ce compresseur dépendent du point de fonctionnement et des méthodes d’exploration de l’écoulement. Aux points de fonctionnement stables et à la vitesse nominale du compresseur, les résultats numériques montrent une perturbation tournante dans les rotors 2 et 3, alors que les mesures montrent une perturbation tournante que dans le premier rotor et seulement à basse vitesse du compresseur. Dans les deux cas, les perturbations montrent des caractéristiques semblables. Une étude numérique permet d’exclure l’influence des interactions rotor-stator sur la perturbation tournante et met en évidence sa source. Des nouvelles connaissances sur le comportement stable et la périodicité du rotating instability (mesuré) sont dérivées contrairement au comportement instable suggéré par la dénomination et la littérature. Il est montré que cette perturbation évolue en cellule de décrochage tournante à l’approche de la limite de stabilité. A la vitesse nominale du compresseur, une entrée en instabilités de type spike est identifiée expérimentalement. Une description précise de l’apparition brutale du spike et sa différence par rapport à une cellule de décollement tournant sont présentées. / The following experimental and numerical investigations aim at the deep understanding of the flow field in the 3.5 stages high-speed axial compressor CREATE, studied on a 2 MW test rig at the Laboratory of Fluid Mechanics and Acoustics (LMFA) in Lyon, France. This work focuses on three major objectives: Firstly, a global description of the flow field with an identification of limitations to the used exploration methods; Secondly, the characterization of the effect of stator-stator clocking in a high-speed compressor; Thirdly, the identification of instabilities arising at low mass flow rates for confirming studies on low-speed compressors and giving new insights.This work demonstrates that a mis-interpretation of steady performance data occurs easily due to measurement constraints and correction coefficients are proposed. At certain locations in the compressor, the flow field exploration (experimental and numerical) methods are identified to be challenged. This identification will initiate further development of the methods. The main mis-predictions of the simulations concern the over-prediction of the blockage induced by the tip leakage flow and eventually an over-predicted pressure rise. Furthermore, the measurements provided by the pneumatic pressure probes over-estimate the static pressure upstream of the stators. This error is induced by the interaction between the stator potential field and the probe it-self. In addition, the laser Doppler anemometry method over-estimates the velocity downstream the stators. The transport of the rotor wakes through the stators might not be correctly captured with the seeding particles in this high-speed compressor.The investigation of the stator clocking reveals only a small global effect within the measurement uncertainty band. Several contributions to the weak effect of clocking are identified by analysis of the flow structure transport, namely the time-mean mixing out of the stator wakes and the deformation of wakes along their flow path. The local effect of clocking depends on the span-height because of the variation of the circumferential position of the stator wakes and the stator blade shape over the span-height. Local possible positive and negative effects of clocking are identified and are shown to be almost in balance in this compressor. Furthermore, this work demonstrates that the unsteadiness in the flow field is not linked conclusively to the stator clocking.In this compressor, the arising instabilities depend on the operating point and flow field exploration methods. At stable operating points and nominal compressor speed, the numerical results reveal a rotating disturbance in the rotors 2 and 3, whereas the measurements show a rotating disturbance only in the first rotor and only at part speed. In both cases the disturbance exhibits rotating instability like characteristics. An exhaustive numerical study allows to exclude the commonly assumed influence of rotor-stator interactions on the rotating disturbance and pinpoints its source. New insights into the stable behavior and periodicity of the measured rotating instability are derived contrary to the unstable behavior suggested by the naming and literature. This disturbance is shown to evolve into rotating stall cells when approaching the stability limit. At nominal compressor speed, a spike type surge inception is identified I n the measured field. A precise description of the abrupt onset of the spike cell and its difference to a rotating stall cell are presented.

Les oxydes de manganèse présentent un grand intérêt en raison de leur activité catalytique pour l'ORR (la réaction de réduction de l’oxygène) en milieu alcalin et peuvent être utilisés comme matériaux sans métaux nobles pour la cathode dans les piles à combustible. La présente thèse est consacrée à l’étude de l’activité d'oxydes de manganèse pour l’ORR. Il a été montré que Mn2O3 avec structure bixbyite a une meilleure activité catalytique vers l'ORR en milieu alcalin que les autres oxydes de manganèse étudiés. L'activité spécifique de Mn2O3 est seulement 4 fois inférieure à celle de Pt à une surtension de 0.3 V (ERH). Le lien entre la structure des oxydes de Mn et l'activité ORR est identifié: l'activité spécifique augmente exponentiellement avec le potentiel du couple redox Mn(III)/Mn(IV) de surface. Pour assurer l'activité électrocatalytique élevée de Mn2O3, il est nécessaire d'ajouter du carbone à la composition d'électrode, ainsi que de garder un potentiel supérieur à 0.7 V (ERH). / Manganese oxides are of great interest due to their catalytic activity towards the ORR (the oxygen reduction reaction) in alkaline media and can be used as noble metal-free materials for the cathode in liquid and polymer electrolyte alkaline fuel cells. The present thesis is devoted to the investigation of the ORR activity of manganese oxides. It was shown that Mn2O3 with bixbyite structure has a better catalytic activity toward the ORR in alkaline media than other investigated manganese oxide, the surface activity of Mn2O3 is only 4 times lower than that of Pt at an overvoltage of 0.3 V (RHE). The link between the structure of Mn oxides and the ORR activity is found: the specific ORR activity exponentially increases with the potential of the surface Mn(III)/Mn(IV) red-ox couple. To ensure the high electrocatalytic activity of Mn2O3, it is necessary to add carbon to the electrode composition, as well as to keep potential above 0.7 V (RHE).

A l’heure où la distribution de l’énergie électrique reste encore en discussion pour les nouvelles générations d’avions de transports civils ou militaires, une remise en cause du niveau des tensions continues disponibles pourrait porter les bus de tension de 270Vdc à 540Vdc. De fait, les équipementiers devront proposer des produits facilement adaptables à ces deux niveaux de tension. Par ailleurs, la course au rendement nécessite de revoir les systèmes actuels en proposant des versions plus compactes, fonctionnant à des meilleurs niveaux de rendement. L’atteinte de ces objectifs peut passer par une rupture technologique qui devrait s’opérer dans le domaine de la conversion d’énergie avec l’avènement, d’une part, des composants « grand gap », d’autre part, l’exploitation de structures innovantes de convertisseurs de puissance autore configurables. Les systèmes associant plusieurs convertisseurs et plusieurs machines, appelés communément Systèmes Multi-Convertisseurs Multi-Machines (SMCMM), jouent également un rôle prépondérant grâce aux avantages qu’ils présentent tels que, la modularité, la sûreté et l’accroissement de puissance. Néanmoins, si a priori, l’innovation technologique porte sur le convertisseur statique, le rendement d’un système électromécanique alliant convertisseur et machine ne correspond pas en général au produit des rendements de chacun des composants qui le constituent. En effet, le fonctionnement global fait apparaître de nouvelles problématiques. Dans ce contexte, la ligne directrice de ces travaux de recherche porte sur une méthodologie générale et le développement d’outils qui permettent d’étudier ces systèmes dans leur globalité. L’enjeu scientifique de cette étude consiste à adapter au mieux la machine à son convertisseur, optimiser la qualité du couple (amplitude et ondulations), donc à dimensionner et optimiser une machine qui réponde non seulement à la fonction principale visée par l’application, produire un couple mécanique à une vitesse donnée, mais qui satisfasse aussi une, voire plusieurs fonctionnalités requises pour l’utilisation d’onduleurs reconfigurables en tension. Afin de constituer une palette d’outils qui permettra de développer une méthodologie générale d’analyse des SMCMM, un outil de génération et de caractérisation systématique des bobinages et des aimants permanents est développé. Ce premier outil couplé à un modèle de type champ, basé sur la résolution analytique des équations du champ magnétique, est capable de fournir les performances électromagnétiques de la machine en fonction des critères du concepteur. Ensuite, un second outil qui permet d’appliquer la théorie d’une vision de conception par l’adéquation des sources du champ dans une machine, est développé. Nous pouvons alors rechercher la possibilité de maximiser le couple en adaptant, soit les bobinages, soit les aimants permanents. Pour étendre les précédents résultats à un cas général, un problème d’optimisation est formulé. Pour cela, un problème inverse à variables mixtes, relations complexes et non linéaires, est résolu avec un algorithme de type « boîte noire ». Les travaux se focalisent ensuite sur l’intégration de la fonction coupleur magnétique, puis sur la mise en évidence des conditions de fonctionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents montés en surface et à double étoile (MSAPDE), alimentée par deux convertisseurs en parallèle reconfigurables en tension à commande entrelacée. Cette démarche est une première approche concrète de l’intégration machine convertisseur. Les courants induits dans les parties conductrices de la machine en mouvement sont modélisés afin de vérifier en fonction de la fréquence, leurs effets sur la fonction de coupleur magnétique. Finalement, après des simulations numériques qui permettent d’analyser et de classifier les avantages et les inconvénients de plusieurs solutions de machines, la réalisation de deux démonstrateurs de MSAPDE à coupleur intégré est initiée. / At the moment, distribution of electrical power is still being discussed for the new generations of civil and military aircraft. Level of DC voltage available is challenging and could take voltage from 270Vdc to 540Vdc. Hence, equipment suppliers must propose products easily adaptable to these two voltage levels. Otherwise, the race for better performances requires the revision existing systems by offering more compact versions functioning at better efficiency levels. Achieving these goals may be through a technological breakthrough that should be operated in the field of energy conversion with advent of both components "high band gap", and the use of innovative structures of self-reconfigurable power converters. Systems that combine several converters and several machines, commonly called Multi-Converters Multi-Machines Systems (SMCMM), also play a prominent part thanks to their advantages such as, modularity, safety and increased power. Nevertheless, if in principle, technical innovation concerns with the static converter, the efficiency of an electromechanical system which combines machine and converter does not correspond generally to the efficiency product of each constituent component. Indeed, overall functioning reveals new problems. In this context, the guidelines for this research work focus on a general methodology and the development of tools in order to study these systems as a whole. The scientific challenge of this study consists in adapting a machine to its converter, optimizing the torque quality (amplitude and ripples), so to size and to optimize a machine that meets not only the main function covered by the application, i.e. to produce a mechanical torque at a given speed, but also satisfies one or several functionalities required for using reconfigurable voltage inverters. In order to provide a range of tools that will allow the development of a general methodology for SMCMM analysis, a tool for automatic generating and characterizing windings and permanent magnets has been developed. This first tool coupled with an analytical model of field type, based on solving equations of magnetic field, is able to provide electromagnetic performances of the machine according to the designer's criteria. A second tool which allows us to apply theory of a design vision by the field sources adequacy in a machine has been developed. Consequently, we can look for possibility to maximize torque by adapting either windings or permanent magnets. To extend previous results to a general case, an optimization problem is formulated. For this purpose, an inverse problem with mixed variables, complex and non-linear relations, is solved with a "black box" algorithm. The work focus on magnetic coupler function integration, on the identification of optimal operating conditions of a synchronous machine with surface-mounted permanent magnets (AP) and double star (MSAPDE), supplied by two reconfigurable parallel interleaved inverters. This approach is a first practical step into machineconverter integration. Eddy currents in the moving conductive parts of the machine are modeled in order to check their effects on the magnetic coupler function according to frequency. Finally, after numerical simulations which allow us to analyze and classify pros and cons of several machine solutions, the fulfillment of two MSAPDE demonstrators integrating magnetic coupler is initiated.

Les tourbillons et les écoulements méso-échelles océaniques contribuent de façon importante au transport de masses d'eau et de chaleur dans l'océan. La compréhension de leurs dynamiques, et de leurs interactions avec la topographie, est primordiale, pour caractériser les échanges thermohalins, le déplacements d'espèces biologiques ou de polluants. En particulier, les courants et tourbillons de surface, situés dans les cent ou deux cents premiers mètres de profondeur, jouent un rôle capital dans les échanges entre la zone côtière et la zone hauturière. Cette thèse porte sur la modélisation expérimentale idéalisée de deux phénomènes pouvant participer activement aux échanges horizontaux et verticaux dans la couche supérieure océanique. Les sillages d'îles peuvent être le lieu d'instabilités fortes dans les zones anticycloniques de l'écoulement. Des expériences ont été réalisées sur la Plateforme Coriolis (LEGI) à Grenoble, pour identifier les régimes dynamiques de ces instabilités. Ce dispositif (13 mètres de diamètre) a permis d'atteindre de faibles rapports d'aspects géométriques, tout en travaillant avec un dispositif couche-mince. Des visualisations avec colorants et des mesures du champ de vitesse horizontal par intercorrélation de particules ont été réalisées, afin d'étudier la sensibilité des instabilités dans les anticyclones pour différentes gammes de nombres de Reynolds et de Rossby. Nous montrons que ces instabilités sont présentes dès la couche limite anticyclonique, autour de l'île. L'autre partie de ce travail concerne la dynamique d'un tourbillon de surface, en interaction avec la côte ou le talus océanique. Des mesures récentes (campagne EGYPT-1) nous ont permis de mesurer la dérive particulière d'un anticyclone de surface le long de la côte libyenne. Cette dérive vers l'est ne peut s'expliquer par la simple prise en compte de l'effet beta ou de l'effet miroir le long de la côte. Des expériences idéalisées sont menées sur la table tournante de l'ENSTA, afin de modéliser de façon simple l'interaction d'une côte ou d'un talus sur la dynamique d'un anticyclone, à la surface d'un dispositif bi-couche. La vitesse de ce tourbillon de surface voit notamment sa dérive doubler lorsqu'il se trouve initialement à la base de la pente, montrant ainsi l'existence d'une rétroaction possible de la couche du fond sur la dynamique de la couche de surface.

Cette thèse décrit les mesures magnétiques réalisées sur les quadripoles supraconducteurs équipant les spectromètres à haute résolution (HRS) de TJNAF, Hall A (USA), caractérisés par une résolution sigma p/p= 10 -4 pour p <4 GeV.c-1. Une méthode originale basée sur une sonde tournante multibobines a été développée. A partir d'une mesure de variation de flux dans les bobines tournantes et d'une modélisation précise des quadripoles, on détermine le champ magnétique en tout point. La procédure fait appel au formalisme du champ 3D, solution de l'équation de Laplace sous forme d'un développement en série de Fourier-Bessel. Le mémoire présente la méthode QMM, puis l'instrumentation qui consiste en deux sondes tournantes de longueur 1.6 m et 3.2 m, construites pour cartographier les 3 quadripoles Q1, Q2, Q3. Les données sont analysées en série de Fourier. La cartographie a eu lieu in situ sur le bras Electron en 1996. On présente un premier ensemble de résultats de type intégral, parmi lesquels les propriétés du cycle d'excitation des aimants (saturation, hystéresis). Un deuxième ensemble de résultats de type champ local mène à la fabrication des cartes de champ 3D. Après corrections appliquées aux données, la précision obtenue est de l'ordre de 5 Gauss sur chacune des trois composantes du champ local, soit 5.10-4 en relatif par rapport au champ central des quadripoles. On présente les premiers résultats sur l'optique magnétique des spectromètres, obtenus en utilisant les cartes de champ QMM et le logiciel SNAKE de suivi de trajectoires.

L’aérodynamique de l’hélicoptère est fortement impactée par les tourbillons générés aux extrémités de pales. La complexité des phénomènes en jeux et l’insuffisance de données expérimentales locales font du design d’extrémité un véritable défi. Cette étude propose une nouvelle approche dédiée à l’étude des extrémités en vol stationnaire. Une méthode numérique rapide et précise est mise au point afin d’étudier une extrémité de pale en rotation comme une extrémité d’aile fixe. Chaque étape de la construction de la méthode est validée par des comparaisons détaillées avec des données expérimentales publiées. Le code CFD elsA est dans un premier temps utilisé pour mettre en place une méthode de calcul basée sur la résolution des équations Reynolds-Averaged Navier-Stokes en stationnaire. La convergence de la solution et l’indépendance au maillage et aux paramètres numériques sont étudiées en détail en deux, puis en trois dimensions. La précision importante de la solution numérique permet d’analyser finement la physique de l’enroulement tourbillonnaire en extrémité. Des géométries tronquée et arrondie sont étudiées en détail, et révèlent la présence de systèmes tourbillonnaires complexes. Puis la nouvelle méthode d’adaptation pale en rotation / aile fixe est présentée. Une méthode de calcul hybride est mise au point entre le code de mécanique du vol HOST et le code elsA. En repère fixe, l’aérodynamique globale sur la pale et locale en extrémité est calculée fidèlement pour toutes les configurations étudiées. Comparée aux méthodes d’adaptation précédemment publiées, cette nouvelle stratégie offre une amélioration considérable concernant la simulation de l’aérodynamique de pale. / Helicopter aerodynamics is strongly influenced by the vortices generated from the rotor-blade tips. The design of efficient tip shapes is a challenging task because of the complexity of the aerodynamic phenomena involved and the lack of local blade-tip flow measurements. This work provides a contribution to the design of helicopter tips in hover. An efficient, relatively simple and quick numerical method is set up to study rotating blade tips in fixed-wing configurations. The accuracy of the method is shown at each step of the construction by comprehensive comparisons with reliable experimental data from the literature. First, an efficient steady Reynolds-Averaged Navier-Stokes method is constructed using ONERA's elsA code. Comprehensive studies of convergence, grid dependence and sensitivity to the numerical method are performed in two and three dimensions. The very good agreement of the solution with measurements and the accuracy of the numerical method allow a physical analysis with unprecedented detail of the vortex generation and roll-up near square and rounded wing tips. The new methodology of framework adaptation is then presented. An uncoupled hybrid strategy is set up using AIRBUS HELICOPTERS' Comprehensive Analysis code HOST and the Computational Fluid Dynamics solver elsA. Global and local performance calculations are validated for all investigated test cases. Comparison with previously published adaptation methods indicates considerable improvement in the prediction of the blade aerodynamics.

La réaction de fusion 12C+ 12C marque un tournant dans l’évolution des étoiles massives. La section efficace présente des résonances jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique, généralement associées à une structure moléculaire dans le 24Mg. Au cours de cette thèse, la section efficace de fusion 12C+ 12C a été mesurée depuis la barrière de Coulomb jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique. La mesure en coïncidence des particules chargées et des γ a été employée. Un dispositif expérimental, STELLA, a été développé et construit au cours de cette thèse. Il comprend une chambre à réaction, des détecteurs annulaires au silicium, un mécanisme de cibles tournantes, un système de pompage pour vide poussé, un système d’acquisition digital, et une structure pour supporter 36 détecteurs LaBr3. STELLA a été installée auprès de l’accélérateur Andromède (Orsay, France) et une série d’expériences fructueuses ont permis d’obtenir des résultats cohérents au cœur de la fenêtre de Gamow pour la phase de combustion du carbone dans les étoiles massives. / The 12C+ 12C fusion reaction plays a key role in the late evolution of massive stars. Its cross section exhibits strong resonances down to the astrophysical region of interest, often associated with a molecular configuration of the 24Mg nucleus. In this thesis, the 12C+ 12C fusion cross section has been measured from the Coulomb barrier down to the astrophysical region of interest. The charged particle-gamma coincidence technique has been used. A new experimental setup, STELLA, has been developed and built during this thesis. It is composed of a reaction chamber, a set of annular silicon strip detectors, a rotating target mechanism, an ultra high vacuum system, a digital time-stamped data acquistion system, and a structure that fits 36 LaBr3 detectors. STELLA has been installed at the Andromède facility (Orsay, France). Successfull experiments have been carried out to extract fusion cross sections down to the Gamow window for the carbon burning phase of massive stars.

La cinétique lente de la réduction de l’oxygène (ORR) est en grande partie responsable de la perte d’énergie de nombreux systèmes de conversion tels que les piles à combustible. Parmi les possibles catalyseurs de l’ORR, les oxydes de type pérovskite sont des candidats prometteurs en milieu alcalin. La présente thèse est consacrée à l’étude de l’activité, du mécanisme et de la stabilité de pérovskites à base de Co et Mn pour l’ORR. Grâce aux techniques d’électrode tournante à disque et disque-anneau (R(R)DE), les études de l’ORR et des transformations d’HO2- sur les couches minces de pérovskite/carbone dans une solution de NaOH ont montré qu’O2 est réduit en OH- via un mécanisme « en série » avec formation d’HO2- intermédiaire. Pour des quantités d’oxyde suffisantes, HO2- est ensuite réduit, ce qui résulte en un mécanisme apparent de 4 électrons. Dans ces électrodes, le carbone joue un double rôle. Il augmente l’activité électrocatalytique en améliorant le contact électrique et il est impliqué dans le mécanisme de l’ORR en catalysant la réduction d’O2 en HO2-, surtout pour les pérovskites à base de cobalt qui sont considérablement moins actives que celles à base de Mn. Néanmoins, l’électrocatalyse de l’ORR semble dégrader les sites actifs des pérovskites. / The sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) is largely responsible for the energy losses in energy conversion systems such as fuel cells. Among possible inexpensive catalysts for the ORR, perovskite oxides are promising electrocatalysts in alkaline media. The present thesis is devoted to the investigation of the ORR activity, mechanism and stability of some Co and Mn-based perovskites. The rotating (ring) disk electrode (R(R)DE) studies of the ORR and the HO2- transformations on perovskite/carbon thin layers in NaOH electrolyte prove that O2 is reduced to OH- via a “series” pathway with the HO2- intermediate. For high oxide loadings, the formed HO2- species are further reduced to give a global 4 electron pathway. In these electrodes, carbon plays a dual role. It increases the electrocatalytic activity by improving the electrical contact and it is involved in the ORR mechanism by catalyzing the reduction of O2 into HO2-, especially for Co-based perovskites which display lower reaction rates than Mn-based perovskites.