The thesis aims to provide an evaluation on the Volvo 1/5th scaled wind tunnel regarding its potentials and capabilities in aerodynamic study. The flow quality in the test section was evaluated. The experiments were performed included measurements of airspeed stability, tunnel-wall boundary layer profile and horizontal buoyancy. A numerical model was developed to predict the boundary layer thickness on the test floor. Repeatability tests were also conducted to establish the appropriate operating regime.A correlation study between the 1/5th scaled wind tunnel (MWT) and full scale wind tunnel (PVT) was performed using steady force and unsteady pressure measurements. The Volvo Aero 2020 concept car was selected to be the test model.The Reynolds effect and the tunnel-wall boundary layer interference were identified in the steady force measurements. Unsteady near-wake phenomena such as wake pumping and wake flapping were discussed in the unsteady base pressure measurements.

An aeroacoustic study was conducted on a 26%-scale Boeing 777 main landing gear in the Virginia Tech (VT) Anechoic Stability Wind Tunnel. The VT Anechoic Stability Wind Tunnel allowed noise measurements to be carried out using both a 63-elements microphone phased array and a linear array of 15 microphones. The noise sources were identified from the flyover view under various flow speeds and the phased array positioned in both the near and far-field. The directivity pattern of the landing gear was determined using the linear array of microphones. The effectiveness of 4 passive noise control devices was evaluated. The 26%-scale model tested was a faithful reproduction of the full-scale landing gear and included most of the full-scale details with accuracy down to 3 mm. The same landing gear model was previously tested in the original hard-walled configuration of the VT tunnel with the same phased array mounted on the wall of the test section, i.e. near-field position. Thus, the new anechoic configuration of the VT wind tunnel offered a unique opportunity to directly compare, using the same gear model and phased array instrumentation, data collected in hard-walled and semi-anechoic test sections. The main objectives of the present work were (i) to evaluate the validity of conducting aeroacoustic studies in non-acoustically treated, hard-walled wind tunnels, (ii) to test the effectiveness of various streamlining devices (passive noise control) at different flyover locations, and (iii) to assess if phased array measurements can be used to estimate noise reduction. As expected, the results from this work show that a reduction of the background noise (e.g. anechoic configuration) leads to significantly cleaner beamforming maps and allows one to locate noise sources that would not be identified otherwise. By using the integrated spectra for the baseline landing gear, it was found that in the hard-walled test section the levels of the landing gear noise were overestimated. Phased array measurements in the near and far-field positions were also compared in the anechoic configuration. The results showed that straight under the gear, near-field measurements located only the lower-truck noise sources, i.e. noise components located behind the truck were shielded. It was thus demonstrated that near-field, phased-array measurements of the landing gear noise straight under the gear are not suitable. The array was also placed in the far-field, on the rear-arc of the landing gear. From this position, other noise sources such as the strut could be identified. This result demonstrated that noise from the landing gear on the flyover path cannot be characterized by only taking phased array measurement right under the gear. The noise reduction potential of various streamlining devices was estimated from phased array measurements (by integrating the beamforming maps) and using the linear array of individually calibrated microphones. Comparison of the two approaches showed that the reductions estimated from the phased array and a single microphone were in good agreement in the far-field. However, it was found that in the near-field, straight under the gear, phased array measurements greatly overestimate the attenuation. / Master of Science

Exploiter des effets dépendants du temps pour induire et contrôler des courants à travers des conducteurs mésoscopiques et nanoscopiques est un enjeu majeur dans le domaine du transport quantique. Dans cette thèse, nous considérons deux systèmes de taille nanométrique pour lesquels un courant est induit grâce au couplage entre champs extérieurs dépendants du temps et le transport d'électrons. Nous étudions d'abord un problème de pompage quantique au sein d'un système à trois sites en configuration d'anneau, en considérant la possibilité d'induire un courant continu par modulation temporelle des paramètres de contrôle. Nous nous intéressons en particulier à la transition entre régime adiabatique et antiadiabatique en présence d'un mécanisme de dissipation modélisé par un couplage entre le système et un bain extérieur.Nous montrons que le modèle dissipatif admet une solution analytique complète valable pour la composante DC du courant à fréquence arbitraire. Ceci nous permet de bien comprendre comment le courant induit dépend de la fréquence de pompage. Nous nous concentrons ensuite sur un autre système de contrôle du courant exploitant le phénomène des oscillations tunnel à un électron (SETOs). Contrairement au cas précédent, ici la circulation d'un courant continu à travers un circuit comportant une jonction tunnel produit, pour le régime approprié, un courant quasi-périodique d'électrons. On étudie le spectre de bruit à température nulle d'une jonction tunnel dans différents environnements résistifs dans le but de déterminer les limites du régime des SETOs et de quantifier leur degré de périodicité. Nous généralisons par la suite les résultats à température finie et discutons des effets des fluctuations quantiques. / Exploiting time-dependent effects to induce and control currents through mesoscopic and nano\-scopic conductors is a major challenge in the field of quantum transport. In this dissertation we consider two nanoscale systems in which a current can be induced through intriguing mechanisms of coupling between excitations by external fields and electron transport.We first study a quantum pumping problem, analyzing the possibility to induce a DC response to an AC parametric driving through a three-site system in a ring configuration. We are interested in particular in the crossover between adiabatic and antiadiabatic driving regimes and in the presence of dissipation, which is accounted for by coupling with an external bath. We show that for a clever choice of this coupling the dissipative model admits a full analytical solution for the steady state current valid at arbitrary frequency, which allows us to fully understand the pumping-frequency dependence of the induced current. We then focus on a different current-controlling scheme exploiting the phenomenon of single-electron tunneling oscillations (SETOs). In this case, opposite to what happens for pumping, an AC effect, an almost periodic current of single electrons, arises through a tunnel junction circuit as a consequence of a DC bias. We study the zero-temperature noise spectrum of a tunnel junction in different resistive environments with the aim to determine the boundaries of the SETOs regime and quantify their quality in terms of periodicity. We then discuss the finite-temperature generalization and the possibility to account for the effects of quantum fluctuations.

Les modèles théoriques qui prônent l'existence d'un filtrage en symétrie dans les électrodes ferromagnétiques n'ont jamais souffert d'autre justification que leur potentiel à éclairer les résultats expérimentaux. En la matière, les jonctions tunnel magnétiques Fe/MgO/Fe(001) apparaissent être un outil approprié pour confronter expérience et théorie de par leur haute qualité cristalline, cette dernière étant essentielle pour se rapprocher au plus près des considérations théoriques. Les premières mesures de bruit basse fréquence réalisées sur ce système en démontrent la qualité remarquable, paramètres primordiaux au bon déroulement des mécanismes de transport tunnel. L'étude de la dynamique du courant a permis de montrer l'existence d'un mode de transport tunnel direct d'une électrode à l'autre et d'invalider un mode de transport séquentiel via des défauts dans la barrière. L'intégration de films minces de Cr(001) dans ce système idéal a permis de valider de façon non ambigüe l'existence effective du filtrage en symétrie suite à l'apparition d'états de puits quantiques pour une seule symétrie électronique dans des jonctions Fe/Cr/Fe/MgO/Fe. Ce résultat phare met aussi en évidence un mode de transport tunnel cohérent et balistique. La validation de ces concepts autorise l'étude de l'injection de spin dépendant des symétries dans des matériaux plus complexes, comme des films minces de Fe3O4(001). Ces derniers ont fait l'objet d'une étude structurale approfondie et ont amené à des résultats de magnéto-transport encourageants suite à leur intégration dans des dispositifs tunnel à base de MgO(001).

Les jonctions tunnel magnétiques monocristallines Fe(100)/MgO(100)/Fe(100) élaborées par Epitaxie par Jet Moléculaire sont des systèmes modèles pour la validation de concepts spécifiques au transport polarisé en spin dans les multicouches cristallines. L'analyse de la structure de bande montre que le Fe(100) apparaît comme un demi-métal au regard de la symétrie D1 : cette nouvelle notion de polarisation en terme de symétrie électronique explique les formidables effets magnétorésistifs prédits dans ce système. Nos résultats magnétorésistifs valident les effets de filtrage en symétrie et montrent l'influence de la structure électronique sur le transport dont les mécanismes dépassent le modèle des électrons libres. Parallèlement, la croissance bidimensionnelle du MgO a permis l'élaboration de fines couches de MgO pour lesquelles nous avons fourni la première mise en évidence expérimentale d'une interaction antiferromagnétique entre deux couches magnétiques par effet tunnel polarisé en spin.

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.

Ce manuscrit présente une étude par microscopie à effet tunnel de surfaces de métaux de transition, dont les propriétés électroniques sont remarquables près du niveau de Fermi. Ces surfaces de métaux nobles, de nickel et de fer, possèdent des états électroniques localisés en surface, magnétiques ou non, fortement ou faiblement dispersifs. Pour ce travail nous avons utilisé la grande résolution spatiale du microscope pour analyser la structure atomique de surface, et également pour repérer et/ou créer des objets uniques nanométriques afin d'en étudier les propriétés électroniques par des mesures de conductance tunnel. Les nanostructures qui sont présentées ici sont souvent le siège d'un confinement électronique qui se traduit par la présence d'interférences quantiques observables sous forme d'ondes stationnaires électroniques par un microscope à effet tunnel. Dans un premier temps, nous présentons du point de vue théorique les propriétés physiques des états électroniques de surface dits de « Shockley » des métaux nobles et leur interaction avec les défauts statiques. Ensuite, nous exposons la méthode de mesure locale des propriétés magnétiques qui nous semble très performante et les résultats préliminaires que nous avons obtenus avec un système de film mince de Fe/Ag(001). La recherche d'échantillon magnétique présentant un état de surface nous a conduit à nous intéresser à un autre type de surface : Ni(111). Nous montrons comment nous pouvons nous servir des effets d'interférences quantiques observées dans des nanostructures de nickel créées par nano-indentation pour caractériser les propriétés électroniques de Ni(111). L'étude suivante concerne le dépôt de couches ultra-minces de Ni/Cu(111). Nous y étudions la chimie de la surface, des effets de diffusion d'atomes, et surtout les propriétés électroniques de nanostructures de nickel et de cuivre. Nous y discutons aussi de l'influence de la présence de Ni et Cu dans ces objets sur leurs propriétés électroniques.

L'étude de l'équilibre à long terme du tunnel revêtu suscite un intérêt important. D'un point de vue mécanique, il s'agit d'un problème d'interaction complexe entre deux structures de comportement très différent : le massif avec la cavité d'une part, le soutènement d'autre part. Les effets différés qui apparaissent dans un massif sont principalement liés à deux phénomènes qui peuvent être couplés : - la viscosité du squelette solide du massif ; - la diffusion du fluide interstitiel au sein du massif. On commence par présenter une étude bibliographique assez générale concernant les différentes étapes d'étude, de conception et de réalisation d'un projet de tunnel profond. Dans la seconde partie du mémoire, on étudie l'influence de l'histoire du chargement (vitesse de creusement et instant de pose du soutènement) sur l'équilibre d'un tunnel soutenu creusé dans un massif monophasique à comportement viscoplastique. Une méthode simplifiée de dimensionnement des tunnels dans de tels milieux a été élaborée. On a également abordé les effets de couplage entre comportements hydraulique et mécanique dans le cadre des tunnels profonds creusés dans un milieu poreux saturé isotherme ayant un comportement poro-élastique ou poro-élasto-plastique. Une étude analytique du tunnel 1D révèle l'influence de l'histoire du chargement mécanique et des conditions aux limites hydrauliques imposées en paroi. Des simulations numériques de creusement de tunnel en géométrie 2D axisymétrique sont menées. L'étude analytique permet, grâce à la généralisation de la notion de contrainte fictive de soutènement, de localiser le point d'équilibre du tunnel soutenu dans le plan (convergence en paroi - contrainte appliquée en paroi). Ces résultats permettent d'aborder le calcul en déformation plane des tunnels creusés en milieux biphasiques avec plus de rigueur.

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l'oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des "points chauds", des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l'échelle nanométrique des couches minces d'oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l'atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l'interface Si/oxyde.

Dans les années 80, de nouvelles techniques, basées sur la mise en place de système de présoutènements à l’avant du front de taille, se sont développées dans le domaine du creusement de tunnels dans des terrains difficiles. Ce travail de thèse représente une contribution à l’étude des effets de deux types de présoutènements mis en œuvre, le boulonnage au front et la voûte parapluie, sur les déformations du massif et sur la valeur du taux de déconfinement. L’objectif étant d’améliorer les méthodes de prévision des tassements en surface pour les tunnels réalisés avec des techniques de présoutènements. Pour atteindre ce but, l’étude s’est basée sur deux étapes principales : dans un premier temps, une participation active au suivi régulier des déformations enregistrées sur le chantier du tube sud de Toulon ; dans un deuxième temps, l’élaboration d’analyses en retour à l’aide de modélisations numériques calées sur les observations collectées sur le chantier. Le suivi des déformations du massif et la mise en place de deux sections ins-trumentées ont permis d’acquérir une importante base de données sur laquelle les simulations numériques ont été validées. Les mesures enregistrées in situ ont mis en évidence que le champ de déformation provoqué par le creusement du tunnel est tridimensionnel. L’analyse de l’évolution des mouvements en surface a également conduit à proposer une expression analytique de prévision des tassements de surface, qui a été ensuite utilisée pour le pilotage du creusement du tunnel. Des analyses en retour, basées sur les mesures enregistrées in situ, ont été réalisées avec des simulations numériques bidimensionnelles et tridimensionnelles. L’approche 2D a souligné la forte influence du choix de la valeur du taux de déconfinement sur les résultats numériques. Afin de lever cette incertitude, un modèle 3D a été mis au point et a permis d’étudier l’influence des différents systèmes de (pré)soutènements sur la réaction du massif encaissant. Le boulonnage au front de taille et la distance de retard du contreradier ont montré avoir un rôle prépondérant sur le développement des mouvements dans le massif. Des calculs bidimensionnels ont été effectués en parallèle et les résultats ont été calés sur ceux du calcul 3D afin de trouver le taux de déconfinement correspondant à chaque configuration de (pré)soutènement testée. Les deux approches numériques, 2D et 3D, ont enfin été calées sur une section du tunnel de Toulon et la correspondance très satisfaisante avec les mesures in situ a permis de valider nos simulations. Une réflexion finale sur les résultats obtenus semble montrer que le taux de décon-finement est beaucoup plus influencé par le phasage des travaux et le présoutènement, que par les caractéristiques géomécaniques intrinsèques du massif. / During the 80s, new technologies, based on face reinforcement systems, were developed in the field of tunnels excavation in complex soils. The following thesis is a further contribution to the analysis on the effects of two types of pre-reinforcements, tunnel face bolting and pipe umbrella, in the massif deformations and in the stress release value. The aim being to improve methodologies of surface settlements prevision for tunnels built through pre-reinforcement techniques, this study has been divided into two main steps. At first, deformations monitoring registered on site during the Toulon south tube excavation has been actively followed. Secondly, back analysis based on ob-servations collected on site has been elaborated using numerical modelling. The numerical simulations have been validated thanks to an important database obtained by deformations monitoring and by setting up two instrumental sections. Measures registered on site have shown that the deformation field caused by tunnel excavation is tridimensional. Furthermore, analysis on surface movement evolution has led to an analytical expression for surface settlements predictions, which has been used for tunnelling process adaptation. Afterwards, back analyses based on measures registered on site have been realised using bi-dimensional and tri-dimensional numerical simulations. The 2D approach stressed out the strong impact of the stress release value on numerical results. For this reason, a 3D model has been built and eventually used to study reinforcement systems influence on the ground mass reaction. Tunnel face bolting and tunnel invert position have shown to be of huge importance for the ground movements development. At the same time, bi-dimentional calculations have been made and results have been fitted on 3D calculation ones. This operation has permitted to find the stress release value corresponding to each pre-reinforcement configuration tested before. Finally, both 2D and 3D numerical approaches have been fitted on one area of Toulon tunnel and the satisfactory matching with measures taken on site has validated our simulations. In conclusion, one further analysis on results seems to show that stress release value is much more influenced by workflow steps and pre- reinforcement than by ground geomechanical characteristics.