L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes et outils numériques dédiés à la conception préliminaire de systèmes multi-physiques, avec une attention particulière quant à l'évaluation des transferts thermiques mis en jeu dans les actionneurs et les systèmes électriques embarqués. Ce besoin émane de la recherche industrielle actuelle menant au développement de l'avion plus électrique ("More Electrical Aircraft " - MEA), qui met en œuvre de nouvelles technologies de systèmes embarqués où la gestion thermique de tels dispositifs est primordiale. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthodologie basée sur l'analyse dimensionnelle et les modèles de substitution pour générer des modèles analytiques à partir de simulations éléments finis. De plus, une méthodologie de génération de plans d'expériences optimaux adaptée à l'utilisation du formalisme adimensionnel est également proposée. Dans un deuxième temps, deux approches numériques permettant de réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème et d'étudier leur significativité physique sont proposées. La première approche utilise l'analyse de sensibilité d'une façon originale pour mettre en avant la significativité des nombres adimensionnels du problème considéré. La deuxième approche fait appel à des algorithmes d'optimisation pour réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème. Enfin, les méthodes proposées ont été appliquées avec succès pour modéliser les composants d'un actionneur électromécanique d'aileron (moteur électrique de type brushless, carter mécanique), et d'un convertisseur de puissance électrique (condensateur, inductance, dissipateur) utilisé dans le contexte aéronautique. / The objective of this thesis is to develop methods and tools dedicated to the preliminary design of multi-physical systems, with a particular attention to the thermal modelling of actuators and embedded electrical systems. This need arises from the current industrial research which led to the More Electrical Aircraft program (MEA), which deals with new technologies of embedded systems where the thermal management of such devices is essential. First of all, this thesis proposes a methodology based on dimensional analysis and surrogate modelling technique to generate analytical models from finite element simulations. Furthermore, a methodology for constructing optimal design of experiments intended for building surrogate models using dimensionless variables is also proposed. Finaly, two numerical approaches which enable to reduce the number of dimensionless variables of a problem and to study their physical significance are proposed. The first approach uses sensitivity analysis in an original way to highlight the physical significance of the dimensionless numbers for a considered problem. The second approach uses optimization algorithms to reduce the number of dimensionless variables. In the second part of the thesis, the proposed methods were successfully applied to model several components of an electromechanical actuator (EMA) of an aileron (electrical brushless motor, mechanical housing, etc.), and of a power converter (capacitor, inductance, heatsink) used in an aeronautical context.

Ce travail porte sur l'étude de fours tournants équipés de releveurs. Ce sont des contacteurs gaz/solide largement répandus dans de nombreux secteurs industriels mettant en oeuvre des solides divisés. Cependant en raison d'une faible connaissance du fonctionnement de ces équipements notamment en matière d'écoulement ou de transfert thermique, leur utilisation repose encore beaucoup sur le savoir faire des opérateurs acquis avec le temps. Ainsi ce travail vise à fournir aux ingénieurs des outils de connaissance et d'extrapolation pour les accompagner dans les phases de dimensionnement, mais aussi d'optimisation de procédés existants, en particulier pour des fours tournants en chauffage indirect et équipés de releveurs. La première partie de cette étude porte sur l'influence des conditions opératoires sur l'hydrodynamique des solides divisés de forme et taille différentes. Pour ce faire, des procédures expérimentales pour la mesure de distribution des temps de séjours des particules solides ont été mises en oeuvres. Deux pilotes de four tournant ont été utilisés. Ces derniers ont un ratio longueur sur diamètre équivalent mais un ratio de taille de 2. L'hydrodynamique des fours a été caractérisée quantitativement à partir des résultats expérimentaux en terme de temps de séjour des solides, taux de remplissage du four ainsi que de la dispersion axiale des particules. Ces derniers ont été modélisés par analyse dimensionnelle dans un souci de généralité en prenant en compte la présence d'éléments internes (releveurs, grille) ou diaphragmes en sortie, mais aussi des paramètres opératoires tels que la vitesse de rotation du tube, son inclinaison ou le débit des particules solides. La seconde partie de cette étude s'intéresse aux processus de transfert thermique dans les fours tournants en chauffage indirect et équipés de releveurs. Cette étude repose sur la mesure des profils de température à la paroi, dans la phase gazeuse et le lit de particules solides. L'analyse de ces profils de température se focalise sur la détermination des coefficients de transfert de chaleur entre la paroi et le lit de solides d'une part, et entre la paroi et le gaz d'autre part. Une méthode d'analyse globale de système mince et un bilan global intégrant la puissance fournie pour la chauffe sont utilisés pour la détermination de ces coefficients de transfert. Les résultats obtenus permettent d'une part de mettre en évidence l'effet des releveurs ainsi que l'influence des paramètres opératoires sur ces coefficients de transfert de chaleur et d'autre part d'établir par analyse dimensionnelle des modèles pour ces derniers. Enfin, ce travail se termine par la mise en place d'un modèle dynamique simplifié de four tournant en chauffage indirect permettant la détermination des profils de température le long du four et pouvant être facilement adapté à divers procédés. / The present work addresses a fundamental study on flighted rotary kilns. They are gas-solid reactors, used in a variety of industries to process heterogeneous media. However, operating these kilns mainly relies on the know-how of operators due to insufficient fundamental understanding. The aim of this work is to provide engineers with relevant tools and models to assist in the design stage and the performance improvement of existing operating process units, in particular indirectly heated rotary kilns, inclined and equipped with lifters. In the first part, we studied the effects of operating parameters on the flow of materials of differing properties and shape. For this purpose, residence time distribution measurements were performed through experimental stimulus response tests. Two pilot-scale rotary kilns with similar length-to-diameter ratios, but a dimension ratio of about two were used in this study. We focused on the effects of lifter shape and configurations. The effects of the rotational speed, the kiln slope, the mass flow rate and the exit dam height were also analyzed. The flow of solids was quantitatively characterized primarily by the experimental mean residence time, hold-up, and axial dispersion coefficient. Using a dimensional analysis, models were established to predict the mean residence time, the filling degree and the axial dispersion coefficient, providing basic information on the kiln design, solid particle properties and operating conditions. In the second part, we studied the heat transfer mechanisms occurring in the flighted rotary kiln by measuring temperature profiles at the wall, the freeboard gas and the bulk of solids. Analysis of the temperature profiles focused on two main issues: assessment of the heat transfer coefficient between wall and gas, and assessment of the heat transfer coefficient between wall and solid particles. The lumped system analysis and a heat balance using the power supplied for the heating were applied to determine the experimental heat transfer coefficients. The effects of operating conditions and lifting flights were analyzed. Both heat transfer coefficients were then correlated through dimensional considerations. Lastly a global dynamic model mainly based on the models developed in this study can be used to determine wall, gas and bulk solids axial temperature profiles in an indirectly heated flighted rotary kiln. This global model needs to be completed with specific models related to a reaction so as to be used as a framework for the simulation of specific industrial rotary kilns.

Ce rapport de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de l'ébullition en microgravité. Les expériences furent réalisées en condition de gravité terrestre, en vol parabolique et en fusée-sonde. Les expériences en vol parabolique ont montré l'influence de divers paramètres sur le transfert thermique et ont mis en évidence les mécanismes contrôlant le transfert thermique. De l'écriture des équations gouvernant ces mécanismes et de l'identification des échelles caractéristiques, une corrélation permettant d'estimer le transfert de chaleur lors de l'ébullition en microgravité pour une large gamme de fluide est bâtie. L'expérience en fusée-sonde a permis d'étudier l'influence des gaz incondensables et notamment de la convection Marangoni sur le comportement de l'ébullition et sur le transfert thermique. / Between the different propulsion phases, the Ariane V rocket passes through microgravity periods and solar radiation can induce boiling in its cryogenics tanks. Experiments were performed during 6 parabolic flights and in a sounding rocket to study pool boiling in microgravity. In the parabolic flight experiments, the influence of pressure, subcooling and surface roughness was studied. It is showed that subcooling has a weak effect on microgravity boiling heat transfer, and that roughness is an important factor also in microgravity. Detailed results on the behavior of bubbles and on the superheated liquid layer show that the heat transfer mechanisms can be divided in two groups : the primary mechanisms which directly take energy from the wall and the secondary mechanisms which transport the energy stored in the fluid by the primary mechanisms, from the vicinity of the wall to the bulk liquid. The secondary mechanisms appear not to limit primary mechanism heat transfer which explains the weak influence of gravity on heat transfer. From the study of equations governing primary mechanisms and the definition of new scales, a correlation is built to predict heat transfer in microgravity for a wide variety of fluids. In the sounding rocket experiment, the influence of non-condensable gases was studied. The existence of two regimes of boiling heat transfer with non-condensable gas is established. The temperature in the primary bubble is directly measured and the influences of both Marangoni convection and non-condensable gas on both heat transfer and bubble growth are also considered.

Over the last decades, there has been considerable attention in the accurate mathematical modeling and numerical simulations of free surface wave propagation in near-shore environments. A physical correct description of the large scale phenomena, which take place in the shallow water region, must account for strong nonlinear and dispersive effects, along with the interaction with complex topographies. First, a study on the behavior in nonlinear regime of different Boussinesq-type models is proposed, showing the advantage of using fully-nonlinear models with respect to weakly-nonlinear and weakly dispersive models (commonly employed). Secondly, a new flexible strategy for solving the fully-nonlinear and weakly-dispersive Green-Naghdi equations is presented, which allows to enhance an existing shallow water code by simply adding an algebraic term to the momentum balance and is particularly adapted for the use of hybrid techniques for wave breaking. Moreover, the first discretization of the Green-Naghdi equations on unstructured meshes is proposed via hybrid finite volume/ finite element schemes. Finally, the models and the methods developed in the thesis are deployed to study the physical problem of bore formation in convergent alluvial estuary, providing the first characterization of natural estuaries in terms of bore inception. / Ces dernières décennies, une attention particulière a été portée sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la propagation de vagues en environnements côtiers. Une description physiquement correcte des phénomènes à grande échelle, qui apparaissent dans les régions d'eau peu profonde, doit prendre en compte de forts effets non-linéaires et dispersifs, ainsi que l'interaction avec des bathymétries complexes. Dans un premier temps, une étude du comportement en régime non linéaire de différents modèles de type Boussinesq est proposée, démontrant l'avantage d'utiliser des modèles fortement non-linéaires par rapport à des modèles faiblement non-linéaires et faiblement dispersifs (couramment utilisés). Ensuite, une nouvelle approche flexible pour résoudre les équations fortement non-linéaires et faiblement dispersives de Green-Naghdi est présentée. Cette stratégie permet d'améliorer un code "shallow water" existant par le simple ajout d'un terme algébrique dans l'équation du moment et est particulièrement adapté à l'utilisation de techniques hybrides pour le déferlement des vagues. De plus, la première discrétisation des équations de Green-Naghdi sur maillage non structuré est proposée via des schémas hybrides Volume Fini/Élément Fini. Finalement, les modèles et méthodes développés dans la thèse sont appliqués à l'étude du problème physique de la formation du mascaret dans des estuaires convergents et alluviaux. Cela a amené à la première caractérisation d'estuaire naturel en terme d'apparition de mascaret.