Ce travail étudie les stratégies de contrôle des limites pour l'analyse de stabilité et la stabilisation d'un système hyperbolique de premier ordre couplé à des conditions limites dynamiques non linéaires. La modélisation d'un écoulement à l'intérieur d'un tube (phénomène de transport de fluide) avec une stratégie de contrôle des limites appliquée dans une installation expérimentale physique est considérée comme une étude de cas pour évaluer les stratégies proposées. Dans le contexte des systèmes de dimension finie, des outils de contrôle classiques sont appliqués pour traiter des systèmes hyperboliques de premier ordre ayant des conditions limites données par le couplage d'un modèle dynamique de colonne de chauffage et d'un modèle statique de ventilateur. Le problème de suivi de cette dynamique complexe est abordé de manière simple en considérant des approximations linéaires, des schémas de différences finies et une action intégrale conduisant à un système linéaire à temps discret augmenté avec une dimension dépendant de la taille d'échelon de la discrétisation dans l'espace. Par conséquent, pour la contrepartie dimensionnelle infinie, deux stratégies sont proposées pour résoudre le problème de contrôle de frontière des systèmes hyperboliques de premier ordre couplé à des conditions de frontière dynamique non linéaires. Le premier se rapproche de la dynamique du système hyperbolique de premier ordre par un retard pur. La stabilité convexe et les conditions de stabilisation des systèmes quadratiques non linéaires retardés d'entrée incertaine sont proposées sur la base de la théorie de la stabilité de Lyapunov-Krasovskii (LK) qui sont formulées en termes de contraintes de l'inégalité matricielle linéaire (LMI) avec des variables supplémentaires lâches (introduites par le lemme de Finsler ). Ainsi, des fonctions strictement de Lyapunov sont utilisées pour dériver une approche basée sur LMI pour la stabilité de la frontière régionale robuste et la stabilisation des systèmes hyperboliques de premier ordre avec une condition de frontière définie au moyen d'un système dynamique non linéaire quadratique. Les conditions de stabilité et de stabilisation proposées pour LMI sont évaluées en tenant compte de plusieurs exemples universitaires et de l'écoulement à l'intérieur d'une étude de cas. / This work studies boundary control strategies for stability analysis and stabilization of first-order hyperbolic system coupled with nonlinear dynamic boundary conditions. The modeling of a flow inside a pipe (fluid transport phenomenon) with boundary control strategy applied in a physical experimental setup is considered as a case study to evaluate the proposed strategies. Firstly, in the context of finite dimension systems, classical control tools are applied to deal with first-order hyperbolic systems having boundary conditions given by the coupling of a heating column dynamical model and a ventilator static model. The tracking problem of this complex dynamics is addressed in a simple manner considering linear approximations, finite difference schemes and an integral action leading to an augmented discrete-time linear system with dimension depending on the step size of discretization in space. Hence, for the infinite dimensional counterpart, two strategies are proposed to address the boundary control problem of first-order hyperbolic systems coupled with nonlinear dynamic boundary conditions. The first one approximates the first-order hyperbolic system dynamics by a pure delay. Then, convex stability and stabilization conditions of uncertain input delayed nonlinear quadratic systems are proposed based on the Lyapunov-Krasovskii (L-K) stability theory which are formulated in terms of Linear Matrix Inequality (LMI) constraints with additional slack variables (introduced by the Finsler's lemma). Thus, strictly Lyapunov functions are used to derive an LMI based approach for the robust regional boundary stability and stabilization of first-order hyperbolic systems with a boundary condition defined by means of a nonlinear quadratic dynamic system. The proposed stability and stabilization LMI conditions are evaluated considering several academic examples and also the flow inside a pipe as case study.

Il s’agit ici d’étudier un phénomène vibratoire ressenti par les utilisateurs d’un masque à oxygène au niveau de la fosse nasale. Le masque à oxygène intègre un régulateur qui envoie de l’oxygène en réponse à une demande de débit. Les vibrations prennent la forme de variations de pression à l’entrée du masque et leur origine est inconnue. Parmi les objectifs du travail de thèse, on essaiera de comprendre l’origine et de caractériser ce phénomène après une modélisation détaillée du régulateur, prenant en compte assez finement sa géométrie. Dans un deuxième temps, la stabilisation de la trajectoire dynamique de ce système sera étudiée par le biais de l’application du critère de Routh à un modèle linéarisé autour d’un point d’équilibre. Dans un troisième temps, quelques phénomènes dynamiques et physiques additionnels seront investis afin de pousser plus en avant la compréhension du fonctionnement du masque. Dans un quatrième temps et en guise d’ouverture, on prendra le temps d’évoquer des pistes supplémentaires pour l’étude de ce système. / The vibratory behavior of a regulated oxygen mask is studied here. The oxygen mask integrates a regulator which sends oxygen in response to a demand flow. The vibrations take the form of pressure variations in the mask volume, at the entry of the nasal ways, and their origin is unknown. Among the goals of this thesis work, we will try first to understand the origin and to characterize this phenomenon after a detailed modeling of the regulator, taking accurately into account its geometry. Second, the stabilization of the system’s dynamical trajectory will be studied by applying the Routh criterion to a linearized model around an equilibrium point. Third, some additional dynamical and physical phenomena will be investigated in order to push forward the understanding of the mask functionning. Fourth, and as an opening, time will be taken to mention supplementary tracks for the study of this system.

Des systèmes avec des coefficients dépendant du retard ont été rencontrés dans diverses applications de la science et de l'ingénierie. Malgré la littérature abondante sur les systèmes de temporisation, il y a peu de résultats concernant l'analyse de stabilité des systèmes avec des coefficients dépendant du retard. Cette thèse est consacrée à l'analyse de stabilité de cette classe de systèmes.Les méthodes d'analyse de la stabilité sont développées à partir de l'équation caractéristique correspondante suivant une approche généralisée tau-décomposition. Étant donné un intervalle d'intérêt de retard, nous sommes capables d'identifier toutes les valeurs de retard critique contenues dans cet intervalle pour lesquelles l'équation caractéristique admet des racines sur l'axe imaginaire du plan complexe. Le critère de direction de croisement des racines sont proposées pour déterminer si ces racines caractéristique se déplacent vers le plan complexe demi-gauche ou demi-droite lorsque le paramètre de retard passe par ces valeurs de retard critique. Le nombre de racines caractéristiques instables pour un retard donné peut ainsi être déterminé. Notre analyse comprend les systèmes avec un seul retard ou des retards proportionnés sous certaines hypothèses. Le critère de direction de croisement des racines développés dans cette thèse peut être appliqués aux multiple racines caractéristiques, ou aux racines caractéristiques dont la position paramétrée par le retard est tangent à l'axe imaginaire. En tant qu'application, il est démontré que les systèmes avec des coefficients dépendant du retard peuvent provenir de schémas de contrôle qui utilisent une sortie retardée pour approcher ses dérivés pour la stabilisation. Les méthodes d'analyse de stabilité développées dans cette thèse sont adaptées et appliquées pour trouver les intervalles de retard qui atteignent un taux de convergence demandé du système en boucle fermée. / Systems with delay-dependent coefficients have been encountered in various applications of science and engineering. However, general and systematic stability analysis is rarely reported in the rich literature on time-delay systems. This thesis is committed to the stability analysis of such class of systems.Stability analysis methods are developed based on the corresponding characteristic equation following a generalized tau-decomposition approach. Given a delay interval of interest, we are able to identify all the critical delay values contained in this interval for which the characteristic equation admits roots on the imaginary axis of the complex plane. Various root crossing direction criteria are proposed to determine whether these characteristic roots move toward the left or the right half complex plane as the delay parameter sweeps through these critical delay values. The number of unstable characteristic roots for any given delay can thus be determined. Our analysis covers systems with a single delay or commensurate delays under certain assumptions. The root crossing direction criteria developed in this thesis can be applied to characteristic roots with multiplicity, or characteristic roots whose locus parametrized by the delay is tangent to the imaginary axis. As an application, it is demonstrated that systems with delay-dependent coefficients can arise from control schemes that use delayed output to approximate its derivatives for stabilization. The stability analysis methods developed in this thesis are tailored and applied to find the delay intervals that achieve a demanded convergence rate of the closed-loop system.

Les instabilités thermoacoustiques, également appelées instabilités de combustion, sont un problème majeur pour la production d’électricité ainsi que dans l’industrie aérospatiale. Ces instabilités sont dues à un transfert d’énergie entre une source chaude, le plus souvent une flamme stabilisée dans un brûleur, et le champ acoustique environnant. Les instabilités de combustion peuvent avoir de nombreuses conséquences délétères telles que l’extinction de la flamme, l’augmentation des flux de chaleur pariétaux, l’émission d’ondes sonores de grande amplitude à certaines fréquences, des vibrations importantes, des dégâts structurels et même l’explosion du moteur dans certains cas. Étant donné les conséquences potentielles de tels phénomènes, d’importants moyens de recherche ont été consacrés à la prédiction de l’apparition d’instabilités de combustion dans les chaudières, les moteurs de fusée et les turbines à gaz ces dernières décennies. Néanmoins, le cadre théorique associé à l’étude de ces instabilités est complexe et nécessite l’emploi de nombreuses disciplines de la physique. De plus, les brûleurs industriels sont constitués de nombreuses cavités tridimensionnelles interagissant entre elles d’un point de vue acoustique. Pour toutes ces raisons, la prédiction de la stabilité thermoacoustique d’un brûleur demeure une tâche ardue à ce jour... (Voir le texte de la thèse pour la suite du résumé) / Thermoacoustic instabilities, also known as combustion instabilities, are a major concern in the aerospace and energy production industries. They are due to an energy transfer that occurs between a heat source, usually a flame stabilized inside a combustor, and the surrounding acoustic field and may lead to undesirable phenomena such as flame extinction, increased heat fluxes, very large sound emissions at certain frequencies, vibration, structural damage and even catastrophic failure in some cases. Given the potential consequences of such phenomena, a large research effort has been devoted to predicting the onset of combustion instabilities in modern boilers, rocket engines and gas turbines during the past few decades. Unfortunately, the theoretical framework associated with the study of thermoacoustic instabilities is complex and multi-physics and the geometry of practical combustors is an intricate arrangement of 3D cavities. As a consequence, predicting the thermoacoustic stability of a combustor at an early design stage is a challenging task to date... (See inside the manuscript for the remainder of the abstract)

Nous étudions numériquement la stabilité vis-à-vis de perturbations 3D d'un écoulement 2D d'un liquide maintenu par capillarité entre deux barreaux cylindriques coaxiaux isothermes et soumis à un flux thermique latéral. Les solutions numériques sont obtenues par méthode de collocation spectrale. Les écoulements stationnaires sont obtenus par méthode de Newton et une méthode d'Arnoldi est utilisée pour l'étude de la stabilité linéaire. La recherche a été menée sur une large gamme de nombres de Prandtl, allant de 0.001 à 100 et pour un rapport d'aspect égal à 2. Le mécanisme de déstabilisation est analysé en observant le taux de croissance de l'énergie de la perturbation. L'utilisation d'un nouvel outil d'analyse, le système adjoint, permet d'identifier les zones sensibles de l'écoulement à des perturbations impulsionnelles. La localisation des zones sensibles permet d'identifier les structures sensibles des écoulements stationnaires 2D. La structure d'écoulements 3D faiblement non linéaires a aussi été décrite.

LES MÉCANISMES DE CROISSANCE OPTIMALE DANS DES ÉCOULEMENTS DE CISAILLEMENT CONFINES, EN PARTICULIER LES ÉCOULEMENTS DE COUETTE PLAN ET POISEUILLE PLAN, LORSQU'ILS SONT SOUMIS OU NON À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT NORMAL À LA PAROI SONT ÉTUDIÉS EN DÉTAIL. DANS LE CAS D'UN FLUIDE DE BOUSSINESQ SOUMIS À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE TRANSVERSE, UNE ANALYSE EXHAUSTIVE DE STABILITÉ NON MODALE EST EFFECTUÉE POUR DIFFÉRENTS NOMBRES DE REYNOLDS, DE RAYLEIGH ET DE PRANDTL. ON MONTRE QUE LES LOIS D'ÉCHELLE RELATIVES À LA CROISSANCE TRANSITOIRE DANS DES ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS SONT ROBUSTES, Y COMPRIS EN PRÉSENCE D'UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT. L'EFFET DE ''LIFT-UP" RESTE LE MÉCANISME PRÉDOMINANT DE CROISSANCE TRANSITOIRE. LE MÉCANISME DE ''LIFT-UP" NON VISQUEUX CLASSIQUE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS COURTS ALORS QUE LE MODE PROPRE DE RAYLEIGH-BÉNARD SANS SA COMPOSANTE DE VITESSE LONGITUDINALE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS LONGS. LA COURBE DE GAIN OPTIMAL EST AINSI DÉCRITE ET INTERPRÉTÉE ENTIÈREMENT. DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS, LE RÔLE DE TRANSFORMATION DE SQUIRE EST ÉTENDUE À LA CROISSANCE TRANSITOIRE OPTIMALE D'UNE PERTURBATION ARBITRAIRE 3D DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PARALLÈLES D'EXTENSION TRANSVERSE FINIE. CELA PERMET AUSSI DE DÉMONTRER QUE LES CROISSANCES OPTIMALES AUX TEMPS LONGS POUR DES PERTURBATIONS DE NOMBRE D'ONDE ARBITRAIRES PEUVENT ÊTRE DÉCOMPOSÉES COMME UN PRODUIT DES GAINS RESPECTIFS RÉSULTANT DU MÉCANISME D'ORR 2D ET DU MÉCANISME DE " LIFT-UP ".

Ce travail concerne la convection naturelle au sein d'un système fluide-poreux en couche horizontale. On présente l'analyse de stabilité linéaire des modèles à un et deux domaines, avec diffusion visqueuse dans le milieu poreux. Nos résultats sont comparés avec ceux du modèle à deux domaines utilisant la formulation de Darcy. Un bon accord est observé entre les résultats des modèles à deux domaines, ce qui indique que le terme de Brinkman joue un rôle secondaire dans la stabilité. On montre que le modèle à un domaine peut conduire à des résultats sensiblement différents lorsque la transition entre fluide et le milieu poreux est décrite par une discontinuité des propriétés. Il faut alors modifier la formulation en effectuant la différentiation au sens des distributions. Ainsi, le modèle à un domaine conduit aux mêmes seuils de stabilité que les formulations à deux domaines. L'influence des paramètres caractéristiques sur la stabilité des systèmes thermique et thermosolutal est discutée.

Alors qu'il est bien connu que le phénomène d'instabilité de Faraday est une manifestation d'ondes de gravité capillaire, son comportement lorsque les effets capillaires et gravitationnels disparaissent reste inexploré théoriquement et expérimentalement. Une étude expérimentale et théorique détaillée est réalisée pour comprendre la physique de ce phénomène dans une petite cavité rectangulaire où la proximité des murs entraîne des contraintes considérables sur les parois latérales. Un couple de liquides binaires est utilisé avec une faible tension interfaciale pour une interface presque plate. Le contrôle thermique de ce système de fluide est utilisé pour diminuer la force capillaire et d’étudier ainsi les instabilités de Faraday dans les fluides miscibles où la tension interfaciale s’annule. Afin de prendre en compte les effets gravitationnels, l'expérience a été réalisée dans des campagnes de vols paraboliques. Pour l'approche théorique, une analyse de stabilité linéaire est effectuée à l'aide d'équations de Navier-Stokes dans un système de fluide visqueux incompressible et newtonien. Ceci est réalisé grâce à une méthode de Fourier-Floquet résultant en un problème aux valeurs propres. Les comparaisons montrent des différences non négligeables. Les équations sont ensuite résolues en incluant des effets d'amortissement visqueux pour compenser les contraintes des parois latérales. Les fluides binaires ont fourni une option commode pourchanger le coefficient de tension interfaciale en augmentant la température jusqu’à la température critique, ce qui a permis de passer d’un système de fluides non miscibles à celui des fluides miscibles tout en restant au-dessous de la température d’ébullition. Le taux d'amortissement visqueux linéaire est mesuré expérimentalement. La correction des calculs théoriques en prenant en compte le taux d'amortissement visqueux a permis une amélioration nette des résultats et donc de mieux comprendre la prédiction de l'amplitude critique expérimentale pour les modes sous-harmonique et harmonique. / While it is well known that the phenomenon of Faraday instability is a manifestation of vibrational acceleration, its behaviour when both the capillary and gravitational effects vanish, remains unexplored theoretically and experimentally. A detailed experimental and theoretical study is performed to understand the physics of this phenomenon in small rectangular geometry where the proximity of wall results in considerable sidewall stresses. A novel binary liquids system is utilized with low interfacial tension for a near flat interface. Thermal control of fluid system is utilized for achieving reduction in capillary force with study of miscible fluids where interfacial tension reduces to almost zero. In order to discriminate between gravity and capillarity effects, experiments were performed in parabolic flight campaigns. . For the theoretical approach a linear stability analysis is performed through Navier-Stokes equations in a Newtonian incompressible viscous fluid system. This is achieved through a Fourier Floquet method resulting into an eigenvalue problem. Equations are solved by including viscous damping effects for compensating sidewall stresses. Experimentally binary fluids provided a convenient option of changing the coefficient of interfacial tension by temperature control and going through immiscible to miscible system without change of liquid charge. Viscous damping rate is determined experimentally by measuring the linear damping rate. The correction in the theoretical calculations with the viscous damping rate helped in achieving a better understanding of the prediction of the experimental critical amplitude for sub-harmonic and harmonic modes.

Ce travail de thèse traite de l’analyse de la stabilité et la stabilisation des systèmes non-linéaires représentés par des modèles T-S. L’objectif est de réduire le conservatisme des conditions de stabilité, obtenue par la méthode directe de Lyapunov, et écrites, dans la mesure du possible, sous forme de LMIs. Dans ce cadre, deux contributions principales ont été apportées. Tout d’abord, nous avons proposé de nouvelles conditions de synthèse non-quadratique de lois de commande, strictement LMIs et sans restriction d’ordre, pour les modèles T-S via des FLICs. En effet, dans ce contexte, les résultats de la littérature ne sont valables que pour les modèles T-S d’ordre inférieur ou égal à 2. Afin de lever cette restriction, les conditions ont été obtenues grâce à la démonstration d’une propriété de dualité. Ensuite, peu de travaux traitant de la spécification des performances en boucle fermée, de nouvelles conditions LMIs (quadratiques et non-quadratiques) ont été proposées via le concept de D-stabilité. Dans un premier temps, la synthèse de lois de commande PDC et non-PDC D-stabilisantes a été proposée pour les modèles T-S nominaux. Ensuite, ces résultats ont été étendus au cas des modèles T-S incertains. De plus, nous avons mis en évidence, au travers d’un exemple de D-stabilisation en attitude d’un modèle de drone quadrirotor, que les modèles T-S incertains pouvaient être avantageusement considérés lorsque les non-linéarités d’un modèle non-linéaire dépendent à la fois de l’état et de l’entrée. / This work deals with the stability analysis and the stabilisation of nonlinear systems represented by T-S models.The goal is to reduce the conservatism of the stability conditions, obtained through the direct Lyapunov methodand written, when it is possible, as LMIs. In this framework, two main contributions has been proposed. First ofall, we have proposed some new conditions based on FLICs, strictly LMIs and without any order restrictions, forthe non-quadratic design of control laws devoted to stabilize T-S models. Indeed, in this non-quadratic context,the existing works are only available for 2nd order T-S models. In order to unlock this restriction, the proposed conditions have been obtained based on the proof of a dual property. Then, starting from the fact that few worksdeals with the closed-loop performances specification, some new LMI conditions (quadratic and non-quadratic)have been proposed via the D-stability concept. As a first step, D-stabilizing PDC and non-PDC controller designhas been considered for nominal T-S models. Then, these results have been extended to uncertain T-S models.Moreover, it has been highlighted, from an example of the attitude D-stabilization of a quadrotor model, that wecan make use of uncertain T-S models to cope with nonlinear models involving nonlinearities depending on bothstate and input variables.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale et numérique des processus de formation des particules de suie au sein des flammes laminaires non-pré-mélangées et partiellement prémélangées sous l'influence d'un champ magnétique ou d'une stimulation acoustique. Dans une premiére étape, la capacité du code CIAO à prédire la fraction volumique de suie dans une flamme axisymétrique est étudiée. Par la suite, deux flammes subissant une stimulation acoustique ont été étudiées. Les résultats peuvent être utilisés pour améliorer les modèles de suie futurs, en particulier concernant les différentes échelles temporelles de la chimie en phase gazeuse, et la formation d'hydrocarbures polyaromatiques (PAH) et de suie couplée avec des flux transitoires. Pour étudier la formation des particules de suie sous l'influence de gradients de champ magnétique, un brûleur de type Santoro est utilisé. Les techniques de mesure utilisées dans le cadre de cette thèse sont l'imagerie directe à haute cadence, la technique Background Oriented Schlieren (BOS) et la méthode d'Absorption/Emission Modulée (MAE). Une augmentation de la fraction volumique de suie intégrée a été mise en évidence lorsque le gradient de champ magnétique est ascendant. Une analyse de stabilité linéaire locale appliquée à l'écoulement non-visqueux est présentée pour une flamme sous l'influence de la perturbation magnétique envisagée. Le gradient de champ magnétique provoque alors une réduction du taux d'amplification. De fait, l'étude est complété par l'identification d'un domaine où les flammes qui oscillent naturellement peuvent être stabilisées et contrôlées par des gradients de champ magnétique. / In this thesis light is shed on the soot formation processes in laminar coflow flames influenced by magnetic field gradients and acoustic forcing. Both influences have been assessed experimentally and numerically. First, the CIAO in-house code's ability to predict soot volume fraction fields in a steady coflow flame is studied. Then, two acoustically forced cases were studied. These findings are used to improve future soot models, especially, concerning the different time scales of gas phase chemistry and the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and soot coupled with unsteady flows. To investigate soot formation under magnetic field gradients, a Santoro type burner is used. The measurement techniques applied in the course of this thesis are high-speed luminosity measurements, Background Oriented Schlieren (BOS) and one- and two-color Modulated Absorption/Emission (MAE) techniques. The magnetic field impact on soot formation was first studied experimentally in steady laminar flames. A scaling of soot production similar to the increased integrated soot volume fraction with increased oxygen content in the coflow was documented. A local inviscid stability analysis is presented for an ethylene coflow flame to investigate the flame's response to small perturbations of the mean velocity, temperature, fuel, and oxygen massfraction under magnetic field exposure. The magnetic field is found to reduce the perturbations' growth rate. The magnetic field study is completed by identifying a domain where naturally oscillating flames can be stabilized and controlled by magnetic field gradients.