Il a été montré dans différentes études que l'application de vibrations ultrasonores durant le forgeage permettaient entre autre de réduire les efforts et d'améliorer la qualité du produit. Plus récemment, des effets similaires ont été obtenu à basse fréquence, pour des formes d'ondes plus complexes, mais nécessitant moins de puissance. En raison de leur rigidité, et compte tenu des amplitudes et des fréquences mises en jeu, les actionneurs piézoélectriques sont bien adaptés à la génération des vibrations nécessaires mais leurs efforts restent limités et l'effet de vibrations est bénéficié selon une seule direction verticale. L'objectif de cette étude est de proposer un système multi-actionneurs piézoélectriques afin d'obtenir une plus grande force totale et des vibrations complexes combinant des rotations autour des axes du plan de la matrice et des translation selon son axe vertical. Un système mécanique à trois degrés de liberté est conçu à cet effet en utilisant des guidages élastiques en raison des faibles déplacements des actionneurs qui excluent la présence de jeux. Pour uniformiser les étapes de conception, modélisation et commande du système, une approche systémique énergétique est abordée en utilisant l'outil de Représentation Énergétique Macroscopique (REM). A l'aide de règles d'inversion de la REM, une structure de commande et une stratégie de gestion d'énergie dans le système sont développées et validées expérimentalement.

Les hélicoptères sont le siège de comportements dynamiques difficiles à maîtriser et récurrents en phase de conception. Ces comportements sont essentiellement liés à des couplages mal maîtrisés entre certains sous-systèmes. Un état de l'art sur les pratiques de modélisation existantes met en évidence un manque de prise en compte des interactions énergétiques entre sous-systèmes, rendant difficile l'analyse et la maîtrise de ces phénomènes et conduisant à des solutions ponctuelles, sans capitalisation possible des méthodes mises en œuvre. Ces travaux offrent une introduction à une approche de représentation multiphysique et multiniveau, complémentaire aux approches existantes, offrant une vision énergétique et structurelle pour la maîtrise de la dynamique des systèmes tels que les hélicoptères. Une réflexion sur les outils de représentation existants a conduit au choix du bond graph (BG), du multibond graph (MBG) et de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) en tant qu'outils complémentaires pour la modélisation et la commande des systèmes multiphysiques multicorps. Une analyse énergétique d'hélicoptère a conduit à la proposition d'une description macroscopique basée sur le MBG à mots, complétée par deux autres niveaux détaillant le modèle MBG du sous-système rotor-fuselage. Les hypothèses de modélisation sont choisies de manière à reproduire les conditions d'apparition du phénomène de résonance air, phénomène de couplage connu sur les hélicoptères. Cette étude met en évidence le potentiel des représentations énergétiques en application aux hélicoptères et ouvre de nombreuses perspectives, tant pour l'analyse des appareils existants que pour la conception d'aéronefs innovants.

La prédiction du bruit émis par les unités extérieures des pompes à chaleur, provenant en partie des batteries à ailettes, constitue un enjeu industriel important. L’obstacle majeur réside dans l’impossibilité de réaliser le calcul acoustique d’une batterie à ailettes avec les outils de simulation classiques (Éléments Finis de Frontière) à cause du trop grand nombre d’éléments nécessaires (près de 600 ailettes par mètre). Cette thèse a pour objectif d’exploiter la périodicité des batteries à ailettes afin de pouvoir calculer leur bruit rayonné à partir du rayonnement d’une seule ailette. La propagation des vibrations est décrite sous la forme d’une décomposition en ondes, autorisant la réalisation séparée des calculs pour chaque onde. Le déplacement en tout point de la structure est calculé à partir du déplacement d’un seul élément unitaire, obtenu par la Méthode des Éléments Finis (FEM). Un élément unitaire acoustique est spécialement défini, comprenant des baffles rigides destinés à représenter l’influence des autres ailettes de la structure. Le rayonnement de cet élément est calculé pour chaque onde en utilisant la méthode des Éléments Finis de Frontière (BEM), puis dupliqué spatialement en tenant compte de la nature propagative des différentes ondes. Pour chaque structure étudiée, la comparaison avec le calcul direct de la structure complète montre une très bonne concordance avec des temps de calcul fortement réduits. L’influence de plusieurs paramètres sur le comportement de la structure a également été identifiée, mettant ainsi en évidence certains phénomènes particuliers propres aux structures périodiques. Dans la dernière partie de cette thèse, une validation expérimentale de l’approche périodique est proposée. Les résultats numériques sont comparables aux mesures vibratoires et acoustiques réalisées sur les batteries à ailettes. / The prediction of noise from outdoor units of heat pumps, partly coming from finned coils, is an important industrial issue. The major obstacle to the study of finned coils lies in the inability to perform the acoustic calculation with classic simulation tools (Boundary Element Method) because of the huge number of required elements (about 600 fins per meter). The goal of this thesis is to exploit the periodicity of finned coils in order to calculate the total noise radiated from the radiation of a single fin, and thus get rid of the number of fins composing the structure. The vibrations propagation is described as a wave decomposition, allowing the realization of separate calculations for each wave. The displacement at any point of the structure is calculated from the displacement of a single unit element, obtained with the Finite Element Method (FEM). An acoustic unit element is especially defined, comprising rigid baffles representing the influence of other fins of the structure. The radiation of this component is calculated for each wave using the Boundary Element Method (BEM), then spatially duplicated taking into account the propagation of the different waves. For each considered structure, a comparison with the direct calculation of the complete structure shows very good agreement with greatly reduced computation times. The influence of several parameters on the behaviour of the structure was also identified, thus highlighting some particular phenomena specific to periodic structures. In the last part of this thesis, an experimental validation of the periodic approach is proposed. Numerical results are close to vibratory and acoustic measurements done on the finned coils.

Les matériaux actifs, tels que les matériaux piézoélectriques et électrostrictifs, sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité). Dans la majorité des cas, ces matériaux sont utilisés séparément. L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet électrostrictifs: l’apparition d’une polarisation électrique induite par une contrainte mécanique et réciproquement l’apparition d’une déformation mécanique sous l’action d’un champ électrique. Les applications « support » concernent les capteurs et les actionneurs. L’étude de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception. L’objectif de la thèse est de remplacer le matériau céramique, rigide et à faible déformation, par un film polymère nanocomposite électroactifs, présentant des grandes déformations et forces d'actionnement sous champ électrique modéré grâce à l'incorporation dans la matrice polymère de micro et nano-objets (charge) conducteurs ou semi-conducteurs. De plus, pour des applications plus spécifiques de la récupération d’énergie, la charge du film polymère par des micro et nano-objets conducteurs sera également étudiée. Idéalement, il serait très intéressant de réaliser un matériau multifonctionnel, sensible à la fois à une stimulation mécanique (propriétés de détection et/ou de récupération d’énergie par couplage électromécanique). / In the last decades, direct energy conversion devices for medium and low grades waste heat have received significant attention due to the necessity to develop more energy efficient engineering systems. A great deal of research has in recent years been carried out on harvesting energy using piezoelectric, electrostatic, electromagnetic , and thermoelectric ,transduction, with the aim of harvesting enough energy to enable data transmission. For this purpose, piezoelectric elements have been extensively used in the past; however they present high rigidity and limited mechanical strain abilities as well as delicate manufacturing process for complex shapes, making them unsuitable in many applications. Thus, recent trends in both industrial and research fields have focused on electrostrictive polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, flexibility, and processability. Hence, electrostrictive polymer films are much more suitable for energy harvesting devices requiring high flexibilities, such as systems in smart textiles and mobile or autonomous devices. Electrostrictive polymers can also be obtained in many different shapes and over large surfaces. . In the last years, electrostrictive polymers have been investigated as electroactive materials for energy harvesting. However for scavenging energy a static field is necessary, since this material is isotope, there is no permanent polarization compare to piezoelectric material. A solution for avoid this problem; concern the hybridization of electrostrictive polymer with electret. Finally, the implementation of electrostrictive materials is much simpler for small-scale systems (MEMS). Hence, several studies have analyzed the energy conversion performance of electrostrictive polymers, both in terms of actuation and energy harvesting.

A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l’architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique. / Today, the control of energy consumption is a very important issue for the preservation of the natural resources. Besides transportation domain, substancial energetic gains exist in residential and office buildings. While low energy building is now a reality, the renovation is rarely put into practice. The objective of this thesis is to evaluate the potential energy savings resulting from the renovation of old buildings. In the core of this work are the problematics of the building system and of the household comfort. Based on this knowledge, we propose here a global control architecture of the building, which accomodates thermal and optical confort, and reduction of energy consumption. Specifically, we focus on automatic control and systemic approach, which enable, from modelling to control law synthesis, a global cooperation of all home automation equipments. Our approach is to design a hierarchical control architecture and simulate it in the case of an old building with central heating, lighting and interior Venetian blinds. The control architecture is designed from a systemic analysis of buildings. It is based on a hierarchical approach in order to adapt to user requirements and to different scales of spatial representation (from the building to the room). To experiment this control architecture, a physical multi-scale model of building was developed using a Bond-Graph approach. This model allows to estimate the optical and thermal behavior of the building separating the slow dynamics of the fast ones. The synthesis of actuators control laws was then performed after reducing the simulation model. It helped to implement two control laws : The first is expressed throughout the building by a predictive control of central heating system and considers the future behaviour of the outdoor temperature and solar radiative power. The second takes place at the rooms level as an optimal control of radiators, Venetian blinds and lighting to ensure the operative temperature and illumination desired by the occupants. The study of energy savings offered by the renovation of the control system helped to highlight the interest of the presented control architecture. The results showed that the implementation of predictive control on the central heating leads to reduce more than 20% of the energy consumption. Moreover, the optimal control in rooms increase thermal comfort around 20% and the visual comfort by 75%.

Le contrôle précis des boucles de régulation existantes sur une machine frigorifique est essentiel à son bon fonctionnement. Il existe plusieurs méthodes de régulation parmi lesquelles on retrouve la plus ancienne et la plus connue : la commande PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Malgré la simplicité apparente des relations mises en jeu, le régulateur PID est assez délicat à ajuster sur des processus présentant de fortes perturbations comme les installations frigorifiques. L’objectif du travail présenté est de mettre en œuvre une commande prédictive fonctionnelle (PFC) afin de réguler la surchauffe en sortie d’évaporateur, la pression de condensation et la puissance frigorifique sur une installation munie d’un compresseur à vitesse variable. L’utilisation d’une commande PFC nécessite de réaliser une prédiction de l’évolution à venir de la sortie du procédé. C’est un modèle interne qui fait office de modèle de connaissance. En assimilant le procédé à un système du premier ordre, la mise en œuvre de cette commande ne nécessite que trois paramètres : un gain statique, une constante de temps et un retard pur. L’originalité de la démarche développée a consisté à réaliser une modélisation physique de la machine afin de déterminer les paramètres précédents par une approche macroscopique. Une bibliothèque de modèles physiques a été élaborée permettant de simuler le comportement de différents évaporateurs, condenseurs, compresseurs ou vannes de détente. La commande développée a ensuite été implantée sur un automate industriel programmable et des expériences ont été réalisées sur deux machines différentes. La première est constituée de deux échangeurs à tubes et calandre et d’un compresseur à pistons, alors que la seconde comprend un évaporateur à plaques, une batterie à ailettes et un compresseur à vis. / An accurate control of fluids flow is essential in any refrigeration system. As the conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) control with invariable parameters can lead to unsatisfactory performance because of the variation of refrigeration unit parameters under disturbances, the aim of the work presented here is to develop a method for using Predictive Functional Control (PFC) to regulate the evaporator superheat, the condensing pressure and the cooling capacity on a variable-speed refrigeration system. Using a predictive controller requires to predic future change at the output of the process. This prediction is based on an internal model used as known model. By assuming that the behaviour of refrigerating machine heat exchangers can be represented using a first-order model, the implementation of PFC requires only three parameters: gain, time constant and time delay. In order to determine these parameters an original method has been developed which is based on the physical modelling of the machine. Physical models for different types of evaporator, condenser, compressor or expansion valve have been established to quantify heat transfer and refrigerant flow rate in these components. The control system created has been incorporated into an industrial programmable logic controller and used for experiments on two different refrigerating machines: the first one is composed of two shell and tube heat exchangers and a reciprocating compressor, whereas the second one is composed of a plate evaporator, a finned-tube condenser and a screw compressor. The tests performed show that PFC controller succeed in maintaining a precise chilled liquid temperature.

Cette recherche s’intéresse aux transformations des pratiques de chauffage à Istanbul impulsées par l’arrivée d’une nouvelle ressource énergétique. À travers l’analyse d’une trajectoire heurtée et contestée de diffusion du gaz naturel en substitut de combustibles traditionnels (charbon/bois/fuel), ma thèse dévoile les spécificités et les contradictions d’un processus « ordinaire » de transition énergétique au regard des dynamiques inégales d’appropriation sociale des innovations technologiques, qui viennent conforter et parfois subvertir la nature même des projet techniques et politiques. Inspiré par des travaux sur la sociologie de l’énergie et d’écologie politique urbaine, je propose de suivre dans le temps et dans l’espace les modalités d’agencement d’un nouveau système sociotechnique (service de distribution en réseaux, équipements de chauffage prétendant à l’efficacité énergétique pour la dernière génération d’entre eux, panneaux solaires, etc.), de comprendre les logiques conflictuelles de territorialisation de ces dispositifs en lien avec d’autres dynamiques de transformations urbaines, et enfin de repérer les conditions matérielles, culturelles et socio-économiques, plus ou moins favorables, pour que ces infrastructures réussissent à s’encastrer dans le quotidien des habitants. Ce faisant, ma thèse répond à un double questionnement : comment expliquer la rapidité et la massivité du déploiement du gaz naturel étant donnée la nature des obstacles à surmonter dans le contexte d’une métropole émergente (étalement urbain, concentration de pauvreté, inadaptation d’un cadre bâti hérité à l’usage du chauffage centralisé) ? Comment interpréter les multiples formes de vulnérabilité produites par un processus de transition énergétique censé, paradoxalement, incarner la modernisation et accompagner l’internationalisation d’Istanbul ? / My research focuses on the transformations of heating practices in Istanbul driven by the arrival of a new energy resource. Through the analysis of a contested and non linear trajectory of natural gas diffusion, my dissertation reveals the specificities and the contradictions of an « ordinary » process of energy transition (natural gas being a substitute for traditional fuels such as coal/wood) in light of the unequal dynamics of social appropriation of technological innovations, which reinforce and sometimes subvert the very nature of technical and political projects. Inspired by works on the sociology of energy and urban political ecology, I propose to analyze the construction of a new socio-technical system (network distribution service, boiler devices which pretend to be efficient for the most recent ones, meters, solar panels, etc.), to understand the conflicting logics of territorialization of these artefacts in relation with other dynamics of urban transformations, and finally to identify the material, cultural and socio-economic conditions, though which these new energy amenities success or failed to connect differents categories of people and neighbourhoods. In doing so, my thesis answers a double questioning : given the nature of various obstacles to overcome in the context of Istanbul (urban sprawl, high rates of poverty, heritage of a built environment which is inapropriate with the installation of central heating system), how can we explain the quickness and the large scale development of natural gas demand in Istanbul ? How can we interpret the multiple forms of vulnerability produced by an energy transition process, which is paradoxically, supposed to embody the modernization of Istanbul and to foster its internationalization ?

Durant les régimes de fonctionnement transitoires à froid des technologies d’Injection Directe Essence, des films liquides peuvent se former sur les parois du cylindre moteur. L’interaction entre le gradient de fraction de vapeur, résultant de l’évaporation de ces films avec le front de flamme, est responsable de la majorité des émissions d’hydrocarbures imbrulés (HC). Dans ces travaux, une configuration expérimentale simplifiée a été développée de façon à générer un gradient de fraction de vapeur par évaporation, dans un contexte d’écoulement réactif confiné, mais préservé des complexités inhérentes aux configurations industrielles. L’étude porte sur les influences de la vitesse de l’écoulement et de la température de l’interface de changement de phase sur les intensités des transferts de masse et de chaleur ainsi que sur l’établissement de la stratification de vapeur. Dans un premier temps, les flux de vapeur et de chaleur provenant d’une paroi poreuse saturée en liquide volatil ont été mesurés et évalués. Dans un second temps, le gradient de fraction de vapeur à proximité de la paroi poreuse a été caractérisé par un diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (FIL). L’approche globale a confirmé que le flux de chaleur consommé par le changement de phase représente une part importante du flux de chaleur total échangé. De plus, les résultats de mesures de FIL ont montré l’existence de différents types de distributions et comportements provenant du lien étroit entre la forte densité du mélange gazeux et la formation de la couche de vapeur. / During cold start and warm up engine regimes for Gasoline Direct Injection (GDI) technology, fuel liquid films may accumulate on the cylinder walls. The interaction between the mass fraction gradient, witch is resulting from its evaporation, and the front flame, manages to produce the majority of Unburnt HydroCarbon (UHC) emissions. In order to reproduce the conditions found in internal combustion without the industrial setup complexity, an academic experimental configuration has been developed to generate a mass fraction gradient by evaporation. This study focuses on the influence of the air stream velocity and the influence of the phase change interface temperature. First, mass and heat fluxes from the phase change surface have been measured and calculated near a porous wall saturated with volatile liquid. Then, the mass fraction gradient near the porous wall has been characterised by a Laser Induced Fluorescence (LIF) diagnostic. The global approach has confirmed that latent heat flux represents a major part of the total heat transfer flux exchange. Moreover, LIF results have shown different global behaviours that link the high density of the gas mixture to the vapour layer formation.

Les secouristes, par la nature et le cadre de leurs missions, interviennent en environnement à risque et mettent parfois leur santé en danger. Afin de minimiser ce risque, de nouveaux Equipements de Protection Individuelle (veste, tee-shirt et bottes) ont été conçus par un consortium européen de 23 partenaires réunis autour du programme de recherche ProeTEX. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de ce projet et ont pour objectif de développer un système de monitoring ambulatoire des paramètres thermiques du pompier qui sera intégré aux vêtements intelligents destinés aux secouristes. L’intérêt de cette intégration est le prépositionnement des capteurs afin de réduire le temps de préparation du secouriste. La surveillance s’opère à deux niveaux : l’interface Homme-environnement et le corps. Afin d’évaluer le risque thermique encouru, les paramètres faisant l’objet d’un suivi sont : la température interne, mesurée depuis le tee-shirt, et la température externe et le flux thermique, mesurés dans la veste. Ces paramètres permettent d’apprécier la contrainte thermique imposée par l’environnement et l’état de santé du pompier. Deux méthodes de mesure des paramètres thermiques dans la veste ont été développées. Le projet a abouti au développement de prototypes fonctionnels dont les performances ont été attestées en centre de validation. Des tests ont été conduits en laboratoire et en conditions extrêmes sur le terrain à la Brigade de Sapeurs-Pompier de Paris et au « International Firefighting, Survival and Rescue at Sea Training Center » de Pavie, Italie, pour démontrer la fonctionnalité des EPI en conditions réelles. / Rescuers, within the framework of their missions, operate in hazardous condition and sometimes put their health at risk. To minimize this risk, new personal protective equipment (jacket, t-shirt and boots) were designed by a 23 European partners’ consortium within the research program ProeTEX. This thesis is part of this project and aims to develop an ambulatory monitoring system for firefighters’ thermal parameters; It will be integrated into smart clothes for rescuers. Monitoring is taking place at two levels: Human-environment interface and body. To evaluate the thermal hazard involved, the parameters being monitored are: internal temperature, measured from the tee-shirt and external temperature and heat flux, in the jacket. These parameters are used to assess heat stress imposed by the environment and the health status of the fire-fighter. Two methods of measurement of thermal parameters in the jacket were developed. The project resulted in the development of functional prototypes whose performances have been vouched in validation center. Tests took place in the laboratory and during field trails in extreme conditions.

En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.