Dans l’évolution actuelle de mini-drones à décollage et atterrissage vertical, configurations convertibles de type “tilt-rotors” et “tilt-body” sont de plus en plus souvent utilisées. Ces configurations se sont avérées être très sensibles à l’effet du vent latéral quand ils sont en vol de transition ou tout simplement en vol à basse vitesse. Pour cette raison, une bonne compréhension du comportement d’un proprotor et de l’interaction proprotor-voilure à incidence est nécessaire pour la conception de ce type de drones. Un modèle à l’échelle du mini-drone MiniREC a été testée à la soufflerie S4 de type Eiffel de l’ISAE pour comprendre le comportement de la charge aérodynamique du proprotor au cours de la transition du vol vertical au vol horizontal. Aussi, pour observer l’effet d’échelle et étudier le type de proprotor utilisé normalement par les MAV, une deuxième expérience pour proprotors à incidence a été réalisée à la soufflerie SaBRE. Un anémomètre à film chaud a été utilisé pour caractériser le sillage de l’hélice. Les résultats expérimentaux ont montré la grande incidence de ces forces sur la stabilité longitudinale du drone à des angles d’incidence élevés. Il a également été montré que l’écoulement généré par un proprotor au incidence est de nature très instable, cequi rend sa modélisation complexe. D’un point de vue numérique, l’étude de l’hélice à l’incidence a été faite en utilisant l’hypothèse de Glauert pour un disque actuateur au incidence. Les résultats analytiques sont comparés avec les résultats expérimentaux obtenus à partir des mesures à film chauden 2D et une simulation CFD d’un disque actuateur au incidence chargé avec une charge moyenne équivalente aux valeurs de poussée expérimentales SaBRE et une simulation URANS CFD de l’hélice complète. En outre, les résultats de l’expérience S4 ont été comparés au modèle de Ribner pour les hélices en lacet et le modèle de Young qui est une modification statistique de l’analyse Ribner. La modification proposée du modèle de Ribner donne de bons résultats pour les rotors seul, même à des angles d’attaque élevés. Toutefois, il a été clairement démontré que son amélioration ou un nouveau modèle sont nécessaires afin de prévoir correctement la poussée et les forces produites par proprotors simples et co-axiaux. Pour cela un méthode quasi-stationnaire du premier ordre basée sur la théorie de la dynamique des éléments pales a été développée. Enfin, un prototype aérodynamique avec une sensibilité réduite au vent latéral a été conçu, construit et testé dans la soufflerie S4. Le test a montré que la première conclusion à propos de la contribution du proprotor à la sensibilité longitudinaletotale des mini-drones était justifiée et que la nouvelle configuration fait un candidat idéal pour lesconceptions futures de mini-drones basculant à décollage et atterrissage vertical. / In the current development of VTOL mini-UAS and MAVs, configurations like tilt proprotors and tilt-body are being applied more and more often. These types of configurations have shown to be very sensitive to the effect of the lateral wind when they are in transition flight or simply in low speed flight. For this reason a correct understanding of the behavior of a proprotor and the proprotor-wing interaction at incidence is necessary for the design and conception of this type ofUAS. A scaled model of the MiniREC mini-UAS was tested at the ISAE S4 Eiffel type wind tunnel to understand the aerodynamic load behavior of the proprotor during the transition from vertical flight to horizontal flight. Also, to observe the effect of the scale and study the type of proprotor usednormally by MAVs, a second experiment for proprotors at incidence was conducted at the SaBRE wind tunnel. A hot film anemometer was used to characterize the propeller wake. The experimental results showed the great impact of these loads over the longitudinal stability of the drone at highangles of incidence. It was also shown that the nature of the flow for a proprotor at incidence ishighly unsteady which makes its modeling a complex process. From a numerical point of view the study of the propeller at incidence was done using the Glauert’s hypothesis for an actuator disk at incidence. The analytic results are compared with experimental results obtained from the 2D hot film measurements and a CFD simulation of an actuator disk at incidence loaded with a mean load equivalent to experimental SaBRE thrust values and URANS CFD simulation of the full propeller. The results of the S4 experiment were also compared to Ribner’s model for propellers in yaw and the Young’s model which is a statistical modification of Ribner’s analysis. The present modification of Ribner’s model gives good results for single rotors even at high angles of attack. However it wasclearly shown that some improvement or a new model were needed to correctly predict the thrustand the off-axis loads produced by single and coaxial proprotors. For this a first order quasi-steady method based on blade element momentum theory was developed. Finally an aerodynamic prototype(with reduced sensitivity to the lateral wind) was designed on these bases, built and tested in theS4 wind-tunnel. The test showed that the initial conclusion about the contribution of the proprotorto the total longitudinal sensitivity of the mini-UAS were justified and that the new configuration showed a reduced sensitivity to the lateral wind which makes it a perfect candidate for future designs of tilt-body VTOL mini-UAS .

La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux, la rugosité, la densité, l'albédo …, sont regroupés sous la formule état de surface. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à l'aide d'observations in situ et satellite. L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite, principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du rapport de polarisation sensible à la densité proche de la surface), a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de 8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le sud-ouest). Enfin, la corrélation entre présence de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection. La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains, densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 - 2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été « inversée » à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m-3 a-1, superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent. Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux. L'étude de l'altimétrie satellite permettrat de corroborer ces résultats. / The snow surface on the Antarctic Plateau plays an important role to study the surface mass and energy balance. Its characteristics depend on interactions between the atmospheric conditions and the top of the snowpack such as snowfall, snow remobilization by the wind and metamorphism. All the surface characteristics like type of crystals, roughness, density, albedo … are rounded up the expression surface state. Objective of this thesis is to study the surface state and its evolution due to atmospheric conditions, from satellite and in situ observations. Analyzing together in situ and satellite observations, respectively from infrared pictures of the snow surface (developing an algorithm to study the image texture) and microwave emission of snow (using the polarization ratio that principally depends on the snow density near the surface), showed that the surface quickly evolves at Dome C. Specifically, periods where hoar covers totally the surface are observed and represents around 45% of time. Surface evolution is also characterized by rapid and high increase of the surface height which could be widely higher than the mean annual accumulation of 8 cm (to 20 cm in 2 hours). The wind is essential for the snow surface evolution. Especially, these works showed that wind direction changes during the disappearance of hoar crystals (perpendicular to the prevailing direction, i.e. the Southwest). Finally, correlation between presence of hoar on the surface and polarization ratio extended these results for the 10 years of satellite observation. It shows the potential to detect precipitation events from passive microwave observation. Modeling microwave emission at 19 and 37 GHz was performed at Dome C by a radiative transfer model (DMRT-ML). Snowpack properties (grain size, density and temperature) used as model inputs were measured during the 2010 – 2011 summer field campaign. Simulations results showed that the snow density near the surface is mainly responsible of the variations of polarization ratio. Surface density was thus estimated at Dome C for 10 years. The density evolution show a multi-annual trend of 10 kg m-3 a-1 decreasing, superimposed by an annual cycle and daily / weekly variations. In situ measurements of density and hoar observation are coincident with the rapid evolutions of estimated density. The substantial multi-annual decrease of density should be included in surface mass balance study because the causes are probably an increase of precipitation or a decrease of wind speed. Similar method was used to deduce the evolution of the near-surface snow surface for whole Antarctica. Spatial variations bring out a clear decrease trend of surface density over a large area between Dome C and Vostok and an area in the East of Dome C where density increases. For the whole Antarctic, the mean polarization ratio shows large variations which correspond to variations of the density stratification of the snowpack. Spatial altimetry would be useful to confirm these results.

La spectroscopie de bruit quasi-thermique est une méthode précise de déterminat-ion de la densité et de la température dans les plasmas spatiaux. Lorsqu'une antenne électrique est immergé dans un plasma, elle est capable de mesurer les fluctuations électrostatiques provoquées par le mouvement thermique des particules de plasma. Ces fluctuations sont détectées par la densité de puissance spectrale aux bornes de l'antenne, en observant un spectre à des fréquences comparables à la fréquence plasma électronique aussi bien pour les électrons que pour les protons, car le signal du proton est fortement décalé Doppler vers des fréquences plus élevées en raison de la vitesse de dérive du vent solaire. En plus d'induire le champ électrique fluctuant, une partie des électrons impactent sur la surface de l'antenne, ce qui provoque des perturbations de son potentiel électrique. Le signal provoqué par cette population est directement proportionnelle au flux d'électrons du plasma impactant l'antenne et est dominante si l'antenne a une grande surface. Dans ce travail, nous utilisons la théorie de l'orbite limite pour calculer le flux de particules impactantes pour un plasma non thermique décrit par fonction de distribution de vitesses $kappa$ ou Lorentzienne, communément mesurée dans le vent solaire. L'augmentation de la collecte de particules par des objets cylindriques et sphériques est quantifié et présenté en tant que fonction du potentiel électrostatique de surface et de la fraction des particules supra-thermique. La prise en compte de ces résultats théoriques est absolument nécessaire pour des mesures précises des paramètres du plasma à chaque fois que le bruit d'impact est l'élément dominant dans le spectre de puissance. Ceci est le cas pour STEREO, car les bruit d'impact est dominant pour cette sonde, en raison de la présence d'antennes courtes et épaisses. L'étude approfondie des données sur cette mission est motivée par le fait que ses analyseurs d'électrons sont défectueux depuis le lancement et aucune information sur les électrons thermiques n'est disponible. Les résultats obtenus sont vérifiés en comparant avec les résultats de Wind, montrant une bonne concordance entre les valeurs mesurées par les deux satellites. Les incertitudes des mesures sont déterminées par les incertitudes des instruments utilisés et sont estimés à environ $40%$. Le résultat final de ce travail sera l'établissement d'une base de données des moments d'électrons pour les deux sondes STEREO A et B qui couvriront toute la durée de la mission. Dans une seconde partie de la thèse, nous utilisons l'approche cinétique pour étendre la théorie du bruit quasi-thermique à des plasmas où les collisions des électrons avec les neutres jouent un rôle dominant. Cette technique permet de mesurer la densité et la température des électrons, et aussi la fréquence des collisions en tant que paramètres indépendants. Ceci est obtenu sur une large gamme de fréquences aussi bien en dessous qu'au dessus de la fréquence plasma, pour peu que le rapport entre la fréquence de collision et fréquence de plasma ne soit pas inférieur à 0.1. Les résultats présentés ici peuvent potentiellement être appliqués avec succès dans les plasmas de laboratoire et ionosphères non magnétisés, tandis que pour l'ionosphère de la Terre leur utilisation est limitée aux fréquences basses à cause de la présence d'un champ magnétique fort. / The quasi-thermal noise spectroscopy is an accurate method of determination of density and temperature in space plasmas. When an electric antenna is immersed into a plasma, it is able to measure electrostatic fluctuations caused by the thermal motion of plasma particles. These fluctuations are detected as the power spectral density at the antenna terminals, observing a spectrum at frequencies comparable to the electron plasma frequency for both electrons and protons, since the proton signal is strongly Doppler-shifted towards higher frequencies due to the solar wind drift velocity. Beside inducing the fluctuating electric field, some of the electrons are impacting the antenna surface, causing disturbances of the antenna electric potential. The signal caused by this population is directly proportional to the flux of plasma electrons impacting the antenna and is dominant if the antenna has a large surface area. In this work, we use the orbit limited theory to calculate the incoming particle flux for a non-thermal plasma described by $kappa$ velocity distribution function, commonly measured in the solar wind. The increase in the particle collection by cylindrical and spherical objects is quantified and presented as a function of the surface electrostatic potential and the fraction of supra-thermal particles. Including these results into the theory has turned out to be absolutely necessary for accurate measurements of the plasma parameters whenever the shot noise is the dominant component in the power spectrum. This is the case for STEREO because the impact noise is overwhelming on this probe, due to the presence of short and thick antennas. The comprehensive study of data on this mission is motivated by the fact that the electron analyzers are malfunctioning since launch and no information on thermal electrons is available. Results obtained are verified by comparing with the results from Wind, showing a good match between the values measured by the two spacecraft. Uncertainties of the measurements are determined by the uncertainties of the instruments used and are estimated to be around $40%$. The final outcome of this work will be establishing a database of the electron moments in both STEREO A and B that will be covering the entire duration of the mission. In the second part of the thesis, we use the kinetic approach to expand the theory of the quasi-thermal noise to plasmas where electron-neutral collisions play a dominant role. This technique is able to measure the electron density, temperature and the collision frequency as independent parameters using the wide frequency range both below and above the plasma frequency, if the ratio of the collisional to plasma frequency is not smaller than 0.1. The results presented here have can be potentially applied in laboratory plasmas and unmagnetized ionospheres, while at the ionosphere of Earth their use is limited to low frequencies due to the presence of the magnetic field.

Au début du 20ème siècle, l'étang de Berre était occupée par de larges prairies sous-marines de Zostera qui ont fortement réduit sous l'impact des pollutions et arrivées massives d'eau douce par le canal EDF. Pollutions et arrivées d'eaux ont beaucoup réduit mais les herbiers ne s'étendent pas vers le large. Cette thèse a donc pour but d'analyser les interactions entre les herbiers sous-marins de l'étang de Berre basé sur l'hypothèse que la dynamique hydro-sédimentaire peut jouer un rôle dans le maintien des herbiers à l'état relique. Dans cette lagune, le vent conditionne l'hydrodynamisme en générant des vagues de vent et des courants.L'atténuation des vagues par l'herbier est en lien avec la hauteur des vagues (dépendant de la vitesse du vent, la longueur de fetch et des effets de réfraction lié à la morphologie de la anse) et est modulée par la biométrie de l'herbier, le niveau d'eau ou la présence de courants. Alors qu'au dessus de l'herbier, les courants sont rapides et fortement influencés par le vent et les vagues de vent, une couche de transition eau-canopée permet la dissipation de l'énergie des vagues et des courants. Dans la canopée, les courants sont très atténués grâce à la présence de l'herbier. L'herbier apparaît comme un élément important de la dynamique sédimentaire car il peut, par sa simple présence, réduire l'hydrodynamisme et modifier l'évolution du fond dans et en arrière de l'herbier et protéger la plage. Le niveau de récurrence de vents forts semble contrôler les évolutions sédimentaires.Les fortes interactions de l'herbier avec la dynamique hydro-sédimentaire laissent penser qu'elle pourrait limiter leur extension dans des zones plus exposées. / Berre lagoon was occupied by extensive meadows at the turn of the 20th century which regressed down under the impact of urban and industrial pollution and inflow of the EDF canal. Even though freshwater inputs and pollutions were drastically reduced respectively in the 1980s and 1990s, meadows have not significantly gained ground. This thesis aims at analysing the interactions between seagrass meadows of Berre lagoon, hydrodynamics and sedimentary processes, based on the postulate that these mechanisms are important in the maintenance of the meadows in their present dispersed form. In the lagoon, winds constitute the dominant influence on hydrodynamics in the lagoon by generating wind waves and currents. Wave attenuation is linked to wave height, which is, in turn, dependent on wind intensity and fetch length and modified by the bay morphology. Wave attenuation is also modulated by meadow biometry, and by water levels and currents.Whereas currents are strong and strongly influenced by wind and wind waves above the meadow, a transition canopy-water layer dissipates waves and currents. In the canopy, currents are thus attenuated.The meadow is not just a passive element in the overall sediment dynamics since it reduces energy and thus modifies substrate changes within and in the back of the meadow, thus protecting the shoreline. However, it is the recurrence of strong wind that seems to drive sedimentary changes. The strong interactions between the meadow and the hydrodynamic and sedimentary processes could limit the extension of the meadow in areas more exposed to waves.

Les moteurs thermoacoustiques sont des oscillateurs autonomes constitués d'un résonateur acoustique partiellement occupé par un matériau poreux (stack) soumis à un important gradient de température grâce à un apport de chaleur externe. Lorsque le gradient de température imposé le long du stack devient supérieur à un certain gradient critique, appelé seuil de déclenchement, l'interaction fluide-parois se traduit par l'amplification d'une onde acoustique auto-entretenue de fort niveau sur le mode le plus instable du résonateur. L'objet des travaux présentés dans ce mémoire est double. D'une part, il est de proposer un formalisme pour la description du fonctionnement de moteurs thermoacoustiques facilement généralisable à l'ensemble de ces systèmes, qu'ils soient à ondes stationnaires ou à ondes progressives. D'autre part, il est de proposer une approche expérimentale pour la caractérisation du noyau thermoacoustique (incluant le stack et la portion de guide inhomogène en température), qui permette de décrire le comportement de systèmes thermoacoustiques sans formuler d'hypothèses sur la forme du champ de température ou la géométrie du stack.Une modélisation analytique des conditions marginales de stabilité et du taux d'amplification de l'onde est tout d'abord proposée, basée sur l'écriture des matrices de transfert des différents éléments qui constituent le moteur. Ces matrices de transfert associées aux conditions aux limites du système étudié conduisent à une équation caractéristique dont la forme dépend de la géométrie de moteur considérée. La solution de cette équation est une pulsation acoustique complexe dont la partie imaginaire correspond au coefficient d'amplification thermoacoustique.La mesure de la matrice de transfert du noyau thermoacoustique constitue la partie expérimentale des travaux exposés. Elle est réalisée pour différentes conditions de chauffage au moyen d'une méthode à quatre microphones. Dans un premier temps, les résultats expérimentaux sont introduits dans le modèle développé précedemment pour prédire le seuil de déclenchement de divers moteurs thermoacoustiques équipés de ce noyau. Les résultats obtenus grâce à cette méthode sont très proches des observations expérimentales, validant ainsi le banc de mesure et le modèle décrivant les conditions de stabilité. Dans un second temps, les données expérimentales sont utilisées pour affiner un modèle analytique décrivant les mécanismes couplés de propagation acoustique et de transport de la chaleur dans le noyau thermoacoustique : ceci permet notamment d'ajuster les valeurs de paramètres acoustiques et thermiques au moyen d'une méthode inverse.Au-delà du seuil de déclenchement, l'amplification et la saturation de l'onde résultent pour une bonne part du transport de chaleur thermoacoustique et de la convection forcée liée à la génération d'un écoulement redressé (vent acoustique), ces deux mécanismes étant généralement responsables d'une dynamique d'évolution complexe de l'amplitude de pression acoustique au cours du régime transitoire. La dernière partie de ces travaux est consacrée à l'introduction de ces deux effets dans le modèle décrit ci-avant, donnant ainsi accès à la description du régime transitoire de l'onde. Une modélisation simplifiée des transports de chaleur associés au vent acoustique de Rayleigh est notamment proposée, qui permet de montrer que cet effet joue vraisemblablement un rôle important dans la dynamique des régimes transitoires observés expérimentalement dans un générateur thermoacoustique quart d'onde. / Thermoacoustic engines are autonomous oscillators generally made of an acoustic resonator, partially filled with a porous material (stack) submitted to a strong, externally supplied, temperature gradient. When the imposed temperature gradient along the stack becomes larger than a critical value, called the onset threshold, the interaction between the fluid and the solid plates leads to a high-level self-sustained acoustic wave at the frequency of the most unstable mode of the resonator. The purpose of the work presented in this report can be separated into two parts. On the one hand, a theoretical modelling is proposed for the description of thermoacoustic engines, which is derived for standing-wave thermoacoustic systems as well as for travelling-wave systems. On the other hand, an experimental approach is proposed for the characterisation of the thermoacoustic core (corresponding to the stack and the thermal buffer tube), allowing to describe the behaviour of thermoacoustic systems without making any assumptions concerning the shape of the temperature profile or the stack geometry. An analytical network modelling of thermoacoustic engines is proposed for the calculation of the threshold conditions and the amplification rate of the acoustic wave. The transfer matrices, combined with appropriate boundary conditions, lead to the derivation of the characteristic equation of the system. The solution of this equation is a complex angular frequency whose imaginary part represents the thermoacoustic amplification coefficient.The experimental part of this work consists in measuring the transfer matrix of the thermoacoustic core. This is realized for several heat supply conditions, by means of a four-microphones method. First, these experimental results are used for the prediction of onset conditions of standard thermoacoustic engines equipped with the thermoacoustic core. The results obtained with this method are very close to the experimental observations, which allow to judge of the consistency of the experimental apparatus and of the model describing the stability conditions. Second, the experimental datas are used in order to fit an analytical model describing the coupled mechanisms of acoustic propagation and heat transfers in the thermoacoustic core : this allows to estimate the values of acoustic and thermal parameters using an inverse method.Beyond the onset threshold, the amplification and saturation of the wave essentially result from the thermoacoustic heat flux and the convection coming from the generation of a mass flow (acoustic streaming). Both these mechanisms are generally responsible of complicated dynamics for the transient acoustic pressure amplitude. The last part of this work is dedicated to the introduction of both these effects in the previously described model, which leads to the calculation of the transient regime. A simplified modelling of Rayleigh streaming enhanced heat transfers is proposed, which allows to show that this effect may play an important role in the transient dynamics observed in an experimental quarter-wavelength thermoacoustic engine.

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée. / This research work addresses the flight behavior of lightweight fixed-wing UAVs in windy conditions. Such aerial devices offer a smooth transition of autonomous flight control design from theory to practice in addition to providing a proper solution in environments inaccessible or dangerous to human beings. However, not having a human pilot onboard implies that UAVs rely on automation to navigate or to avoidobstacles. In addition, their relatively low operating speed makes them particularly affected by the wind field.Motivated by theses considerations, the objectives of the current research aim theoretical and experimental results in designing flight controllers for small fixed-wing UAVs of conventional configuration allowing for stable flight in windy conditions. In order to achieve these objectives, several research areas are being addresses in this thesis as it follows. First, a comprehensive study on the aerodynamic aspect of the aiplane in conducted in order to obtain the mathematical model of the aircraft in presence of wind. Further, models thet reproduce the essential behavior of the system in a simplified context are analyzed. consequently, nonlinear models of reduced complexity, that are easier to analyze and simulate and more adapted to the design of control strategies, are presented. Secondly, the problem to be solved is formulated as a trajectory following problem in which the flight controller must be able to steer the vehicle along a path. Navigation strategies are developed in order to minimize the airplane deviation relative to the reference trajectory. the wind is considered initially measurable by a ground station and, then, estimated using adaptative navigation based on the theory of Lyapunov. The performance of the estimation algorithm is improved using control design based on thr tuning functions method. The third axis of research is the design and the implementation of an experimental setup which consists of a ground station used for visualization and control purposes and an embedded autopilot architecture containing the airframe platform equipped with appropriate avionics.

Afin d'estimer les forces statiques équivalentes du vent, qui produisent les réponses quasi-statiques et dynamiques extrêmes dans les structures soumises au champ de pression instationnaire induit par les effets du vent, une nouvelle méthode probabiliste est proposée. Cette méthode permet de calculer les forces statiques équivalentes du vent pour les structures avec des écoulements aérodynamiques complexes telles que les toitures de stade, pour lesquelles le champ de pression n'est pas gaussien et pour lesquelles la réponse dynamique de la structure ne peut être simplement décrite en utilisant uniquement les premiers modes élastiques (mais nécessitent une bonne représentation des réponses quasi-statiques). Généralement, les mesures en soufflerie du champ de pression instationnaire appliqué à une structure dont la géométrie est complexe ne suffisent pas pour construire une estimation statistiquement convergée des valeurs extrêmes des réponses dynamiques de la structure. Une telle convergence est nécessaire pour l'estimation des forces statiques équivalentes afin de reproduire les réponses dynamiques extrêmes induites par les effets du vent en tenant compte de la non-gaussianité du champ de pression aléatoire instationnaire. Dans ce travail, (1) un générateur de réalisation du champ de pression instationnaire non gaussien est construit en utilisant les réalisations qui sont mesurées dans la soufflerie à couche limite turbulente; ce générateur basé sur une représentation en chaos polynomiaux permet de construire un grand nombre de réalisations indépendantes afin d'obtenir la convergence des statistiques des valeurs extrêmes des réponses dynamiques, (2) un modèle d'ordre réduit avec des termes d'accélération quasi-statique est construit et permet d'accélérer la convergence des réponses dynamiques de la structure en n'utilisant qu'un petit nombre de modes élastiques, (3) une nouvelle méthode probabiliste est proposée pour estimer les forces statiques équivalentes induites par les effets du vent sur des structures complexes décrites par des modèles éléments finis, en préservant le caractère non gaussien et sans introduire le concept d'enveloppes des réponses. L'approche proposée est validée expérimentalement avec une application relativement simple et elle est ensuite appliquée à une structure de toiture de stade pour laquelle des mesures expérimentales de pressions instationnaires ont été effectuées dans la soufflerie à couche limite turbulente / In order to estimate the equivalent static wind loads, which produce the extreme quasi-static and dynamical responses of structures submitted to random unsteady pressure field induced by the wind effects, a new probabilistic method is proposed. This method allows for computing the equivalent static wind loads for structures with complex aerodynamic flows such as stadium roofs, for which the pressure field is non-Gaussian, and for which the dynamical response of the structure cannot simply be described by using only the first elastic modes (but require a good representation of the quasi-static responses). Usually, the wind tunnel measurements of the unsteady pressure field applied to a structure with complex geometry are not sufficient for constructing a statistically converged estimation of the extreme values of the dynamical responses. Such a convergence is necessary for the estimation of the equivalent static loads in order to reproduce the extreme dynamical responses induced by the wind effects taking into account the non-Gaussianity of the random unsteady pressure field. In this work, (1) a generator of realizations of the non-Gaussian unsteady pressure field is constructed by using the realizations that are measured in the boundary layer wind tunnel; this generator based on a polynomial chaos representation allows for generating a large number of independent realizations in order to obtain the convergence of the extreme value statistics of the dynamical responses, (2) a reduced-order model with quasi-static acceleration terms is constructed, which allows for accelerating the convergence of the structural dynamical responses by using only a small number of elastic modes of the structure, (3) a novel probabilistic method is proposed for estimating the equivalent static wind loads induced by the wind effects on complex structures that are described by finite element models, preserving the non-Gaussian property and without introducing the concept of responses envelopes. The proposed approach is experimentally validated with a relatively simple application and is then applied to a stadium roof structure for which experimental measurements of unsteady pressures have been performed in boundary layer wind tunnel

Cette thèse est effectuée dans le cadre du projet Européen "PlasmAero" dont le but est de développer et d'étudier des actionneurs plasmas, et de démontrer leur capacité à contrôler des écoulements aérodynamiques. L'actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de surface est un moyen innovant pour contrôler un écoulement en utilisant le vent électrique induit par la force électrohydrodynamique (EHD) générée au sein du gaz ionisé. Une première partie est dédiée à l'étude des actionneurs plasmas. L'influence de la géométrie de l'électrode active d'une DBD est précisée par des mesures électriques, optiques et mécaniques. Les régimes de la décharge de surface peuvent être totalement modifiés, tout commel'évolution de la force EHD en fonction du temps, calculée ici par bilan intégral. Une géométrie optimisée permet de supprimer le régime de décharge streamer et d'augmenter l'efficacité de l'actionneur de 0,65 à 0,97 mN/W. De plus, des configurations à multi-électrodes (sliding discharge et multi-DBD) sont étudiées et développées. Une multi-DBD à potentiels alternés a permis d'obtenir un vent électrique record de 10,5 m/s.L'étude du contrôle d'un écoulement décollé à mi-corde ou en bord de fuite sur l'extrados d'un profil NACA 0015 fait l'objet de la seconde partie de la thèse. Une DBD standard à deux électrodes, une multi-DBD à six électrodes et une DBD de type "nanoseconde" sont utilisées pour agir sur une séparation à des nombres de Reynolds atteignant 1,3μ106, avec une transition naturelle ou déclenchée. Les résultats démontrent que le contrôle permet de repousser efficacement la séparation, améliorant ainsi les performances aérodynamiques du profil. / This work is conducted in the framework of the European PlasmAero project that aims to demonstrate how plasma actuators can be used to control aircraft aerodynamic. Surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) is an innovative solution to control a flow with the electric wind induced by the electrohydrodynamic (EHD) force produced by a surface discharge. A first part is dedicated to plasma actuators study. The exposed electrode shape of a DBD actuator is investigated by electrical, optical and mechanical characterization. Discharges properties and EHD force evolution is fully dependent of exposed electrode shape. With an optimized active electrode shape, streamer discharge is cancelled while actuator effectiveness is increased from 0.65 to 0.97 mN/W. Flow field induced by multiple electrode design is also investigated. An innovative multi-DBD design is proposed. Inhibition of mutual interaction between successive DBD actuators and exposed electrode shape optimization conduct to an electric wind velocity of 10.5 m/s. In a second part, the control of boundary layer separation on a NACA 0015 airfoil is investigated. An ac DBD, a multi-DBD and a nanosecond DBD are used to manipulate separation at a Reynolds number Re = 1.3μ106, with tripped and natural boundary layer. Results show that actuators can effectively remove the separation existing without actuation.

L’énergie solaire photovoltaïque concentré (CPV) est une solution de remplacement prometteuse aux structures solaires conventionnelles. Ce type de structure modulable doit être optimisé afin d’être compétitif par rapport aux autres types de production d’énergie. Les forces de vent demeurent la première préoccupation dans la conception de la structure porteuse en acier d’un tel système. L’objectif principal de cette recherche est d’assembler des outils numériques et analytiques afin de prédire les caractéristiques de sa réponse dynamique sous charges de vent turbulent. La maîtrise de cette étape est essentielle afin d’étudier d’une façon plus générique des solutions d’optimisation de la structure support par rapport à sa réponse dynamique sous charges de vent. Pour ce faire, la méthodologie principale de cette étude est composée en trois parties : (i) étude expérimentale à grandeur nature de la réponse globale sous les conditions réelles du vent ; (ii) développement des modèles d’analyse numérique dans lesquels les caractéristiques de structures réelles et des modèles de forces aérodynamiques adéquates sont prises en compte ; (iii) application des outils développés dans une étude paramétrique pour évaluer plusieurs solutions à partir de cas d’étude dans le contexte d’une conception préliminaire. Cette thèse est présentée sous forme de deux articles qui ont été soumis dans des revues évaluées par des comités de lecture ainsi que d’un article soumis et présenté dans un congrès international qui démontrent les contributions de cette recherche pour améliorer les pratiques de calcul des charges de vent sur des structures de concentration solaire non conventionnelles. Ces articles sont présentés comme suit (a) Étude expérimentale à échelle réelle de la réponse d’un prototype de concentrateur solaire sous charges de vent. Ce premier article a permis la validation de calcul des coefficients de forces aérodynamiques statiques et la révision des hypothèses de l’application du code ASCE 7-10 pour prédire les forces maximales agissant sur la structure dans la direction du vent ; (b) l’analyse temporelle de la réponse dynamique d’une structure de concentrateur solaire sous charges de vent. Cette étude a montré que le modèle et la méthode d’analyse développés selon des hypothèses simplifiées permettaient de prédire correctement les caractéristiques statistiques de la réponse dynamique mesurée en cohérence avec la méthode spectrale stochastique ; (c) Étude des effets des configurations structurales et des paramètres de vent sur l’optimisation de structure solaires sous charges de vent. Cette étude paramétrique a mis en évidence l’importance de l’effet des paramètres structuraux et ceux définissant le vent sur l’optimisation de la conception structural pour ce type de structure. Des recommandations pour optimiser l’action dynamique dans une phase de conception préliminaire ont été proposées. Ce projet de recherche a démontré finalement l’importance d’étudier d’une façon juste et pratique la réponse dynamique sous charges de vent qui mène à résoudre des préoccupations d’optimisation liées à différents types de structures d’énergie solaire en adoptant des hypothèses pratiques pour les ingénieurs. / Abstract : Concentrated Solar Photovoltaic (CPV) is a promising alternative to conventional solar structures. These solar traking structures need to be optimized to be competitive against other types of energy production. Wind action is the main concern in the design of the steel support structure of such movable system. The main purpose of this research is to assemble advanced numerical and analytical tools that allows realistic dynamic study of structures under wind loading. This help to study accurately optimized alternative in term of selecting structural and wind site conditions parameters. The methodology of the present study involves three main steps : (i) experimental full-scale study of the global response under real life wind conditions ; (ii) numerical modeling that captures the characteristics of the real structures and include the aerodynamic force models to conduct time-domain dynamic analyses ; (iii) preliminary design application that include the study of the effect of stuctural and wind parameters in optimizing the dynamic wind action and consequently the steel support structure. The thesis is presented as an ensemble of three articles written for refereed journals and a conference that showcase the contributions of the present study to thoroughly understand the wind load effect on these nonconventionnel structures. The articles presented are as follow (a) full-scale measurement of the response of a CPV tracker structure prototype under wind load. The results presented in this first article help design engineers to evaluate the use of the aerodynamic force coefficients for calculating wind load on similar structures and to apply properly the ASCE7-10 in evaluating the maximum design wind force using the equivalent static approach ; (b) time-domain analysis of solar concentrator structure under gust wind. This study showed that the developed time-domain model using simplified hypothesis could successfully predict the statistical parameters of the measured dynamic response in coherence with the stochastic spectral approach ; (c) effect of structure configurations and wind characteristics on the design of solar concentrator support structure under dynamic wind action. This parametric study highlighted the importance of selecting structural and wind parameters in order to minimize the dynamic action and the steel support structure. Recommendations for optimizing dynamic wind action in a preliminary design phase were proposed. The present research project has shown the need to study accurately wind response to solve optimization concerns related to different type of solar system structures. In addition, this study proposes simplified methods that are useful for practical engineers when there is the need to solve similar problems.

The goal of this work is to experimentally assess the influence of limiting walls of Škoda Octavia 3 automobile cabin to the air jet flowing from the right-front situated automotive vent which is part of a car dashboard. The experiment is performed by the smoke visualization method. There is a single construction option measured for an experiment. The setup of the vanes direction and the air flow rate are modified for this option. The experiment is divided into two phases. In the first phase, the visualization of the free air flow is conducted. In the second phase, exit plates are constructed and consequently, the visualization of the wall-jet flow is conducted. The results of both are compared to each other. The results imply that the influence of the surrounding surfaces must be taken into account with the increasing flow rate for the vanes set in the direction of upper-right, middle-right, and middle-middle. There is a direct interaction between the flow and exit plates (the flow impact, the Coanda effect). The free flow does not contain the information about the mutual interaction between the flow and the exit plates, as it is in the case of the wall-jet flow. In the case of the wall-jet flow, the opening of the flow takes place due to the effect of the impact and the subsequential suction caused by the Coanda effect. The exit plates substituting the car dashboard and the front window contribute to the prevention of the air intake from surrounding space and consequently to earlier flow opening from the vent. The present work also contains the measurement methodology and the image evaluation, the comparison with previous free flow measurements (70% match) and the comparison to the measurement of hot-wire anemometry method.