Ces travaux ont pour objectif d'étudier l'intégration d'une technologie de combustion récente, les brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme, sur les fours de réchauffage sidérurgiques. La modélisation numérique a été utilisée pour étudier les enceintes équipées de tels brûleurs. Un accent particulier a été porté sur la validation expérimentale des modèles. L'outil CFD a d'abord permis d'étudier finement les caractéristiques de la combustion. Les modèles de fermeture ont d'abord été pré-sélectionnés. Le modèle a ensuite été confronté à des mesures de vitesses, espèces chimiques et températures dans la flamme pour choisir définitivement les modèles les plus adéquats.Une méthodologie de simplification a ensuite été mise en place pour optimiser le ratio précision / temps de calcul du modèle CFD, dans l'optique d'étudier les enceintes multi-brûleurs. Cette approche a été validée par rapport au modèle CFD détaillé.Enfin la simulation des régimes transitoires, essentielle dans l'analyse des performances des fours, a été traitée par une approche nodale, consistant à représenter les éléments du système sous la forme d'un réseau de composants simples. Les phénomènes physiques sont inclus dans les échanges entre les composants du réseau par l'intermédiaire d'une conductance dépendant du mode de transfert. Cette formulation rend la résolution des transferts radiatifs compatible avec la méthode zonale. Les facteurs d'échange radiatifs ont été calculés par le logiciel MODRAY. Un régulateur a également été inclus dans le modèle. Le réseau a été décrit et résolu sous l'environnement THERMETTE. Des essais à l'échelle semi-industrielle ont permis de valider ce modèle nodal.

Le développement important ces dernières années du secteur du transport s'est accompagné d'une inquiétude accrue pour le respect de l'environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n'en est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L'intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d'un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d'optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu'ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L'efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d'évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d'essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l'influence des incertitudes.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation aérothermique d’un alterno-démarreur utilisé dans les véhicules hybrides. Ces machines produisant beaucoup plus de puissance qu’un alternateur classique, leur refroidissement est donc critique. La machine est modélisée en utilisant la méthode nodale en régime permanent qui utilise des réseaux de conductances thermiques. Pour alimenter le modèle, on utilise des corrélations issues de la littérature pour modéliser les transferts convectifs et on effectue des calculs CFD de la machine complète pour obtenir la répartition des débits. Les résultats obtenus numériquement sont ensuite validés expérimentalement à l’aide d’essais par Vélocimétrie par Images de Particules et d’essais thermiques par mesure thermocouples. Dans un deuxième temps, on couple un algorithme d’optimisation au code pour obtenir une géométrie de la machine optimale d’un point de vue thermique. La méthode retenue est l’Optimisation par Essaim Particulaire (PSO). L’optimisation se fait sur la taille des têtes de bobines, la position des ventilateurs et la section des canaux rotoriques. On obtient des géométries différentes selon les objectifs que l’on cherche à atteindre. La dernière partie de la thèse porte sur l’optimisation multi-objectifs d’un dissipateur située sur la partie électronique à l’arrière de l’alternateur : le dissipateur doit refroidir le plus possible l’électronique sans pour autant perturber l’écoulement. On étudie aussi plusieurs formes d’ailettes pour atteindre ces objectifs. / The goal of this thesis is the aero-thermal study and optimization of a starter-alternator used in hybrid cars. This kind of machines being more powerful than a regular alternator, their cooling is critical. The machine is modeled using lumped method in steady state which uses networks of thermal conductances. The inputs for the model are obtained using correlations from bibliography for the convective heat transfers and three dimensional CFD for the flow rates inside the machine. The numerical results are validated by experimental results with PIV for the fluid results and a machine fitted with thermocouples for the thermal part. In the second part, the thermal code is coupled with an optimization algorithm to obtain an optimal geometry of the machine from a thermal point of view. The method chosen is Particle Swarm Optimization (PSO). The parameters are the sizes of the end-windings, the positions of the fans and the cross section of the rotor channels. For different objectives, different optimal geometries are obtained. The last part of this work aims at the multi-objectives optimization of a heat sink located at the back of the machine. The heat sink has to be thermally efficient but should not affect the flow. Different shapes of fins are also studied.

Avec l’accroissement des exigences des avionneurs, les problématiques thermique interviennent de plus en plus tôt dans les phases de conception d’un équipement roue et frein. La première phase de conception, appelée pré-étude, doit permettre de définir les grands choix technologiques pour répondre aux spécifications. Cette phase se déroulant sur une période de l’ordre du mois, la prévision du comportement thermique induit par les différentes solutions doit être de l’ordre de quelques jours. Aussi, les outils de simulation (de type CFD) ne peuvent pas être utilisé, car le temps d’implémentation (maillage) et de calcul ne sont pas adaptés. En outre, compte tenu de la faible maturité du design, aucune CAO n’est disponible. En revanche, le degré de précision et de résolution exigé sur les résultats est plus faible. Dans cette thèse nous proposons un outil de modélisation simplifiée adapté aux contraintes de cette phase de conception, à savoir, un temps d’implémentation et de calcul de l’ordre de quelques heures, et, un très fort niveau de paramétrisation. Pour cela, nous avons tout d’abord établi une représentation géométrique simplifié de l’équipement dans une grille en coordonnées R,T,Z. La simplification géométrique se traduit par une adaptation de la forme des pièces à la grille. L’obtention de cette représentation devient alors automatisable pour réduire le temps d’implémentation. Le modèle thermique utilisé est basé sur l’association d’une approche nodale par l’utilisation de formulation RC et un maillage spatiale adaptable sur chaque pièce qui se rapproche du principe d’une méthode de type volume finis. La complexité du problème thermique (liée à la géométrie, aux transferts multi-modes instationnaires, aux hautes températures et aux non-linéarités) va nous imposer, à des fins d’analyses, la mise au point d’un outil de représentation spatiale et temporelle des grandeurs thermiques. Une décomposition géométrique, associée à une décomposition temporelle du refroidissement par rapport à des temps caractéristiques, a permis d’établir une représentation intelligible des informations sous formes de cartographies. Dans une première étape, des cartographies de températures ont été établies à partir de données d’essais. Ces cartographies ont permis d’énoncer quelques hypothèses sur le sens et l’intensité des transferts, en particulier, conductifs. Dans une seconde étape, les résultats d’un modèle thermo-aéraulique complet de l’équipement, recalés sur les températures d’essais, ont offert la possibilité d’obtenir des cartographies énergétiques par l’intermédiaire des flux et des décompositions spatiale et temporelle. Ces dernières mettent en évidence les lieux et l’intensité des transferts énergétiques, ainsi que, les pièces stockant la chaleur. Cet outil de représentation a pu être utilisé sur d’autres équipements roue et frein, et sur plusieurs énergies de freinage (16 à 64MJ). / For several years, expectations of aircraft manufacturers and airlines have risen as far as reduction of aircraft weight and turn-around time are concerned. Mass reduced wheel and brake equipments tend to reach higher maximal temperature and need to be cooled down more efficiently. Therefore, equipments need to be better designed in terms of heat transfer, especially from the early design phases (i.e. right from the request for proposal). Brake cooling is insured by transient and multi-modal heat transfer, involving particularly, surface-to-surface thermal radiation, natural convection and heat conduction. Furthermore, because of the geometric complexity of the system, three-dimensional heat transfer should be considered. The first aim of this work is to develop a simplified representation of the heat transfer, inside the equipment and with the outdoor, leading to a better acknowledgment of its thermal comportment. This would eventually provide to the engineers some guidelines to a way to help the decision forecast and improve the thermal design of wheel and brake equipments. Secondly, a simplified thermal model should be developed, in order to fill the lack of dedicated tools ,in the preliminary design stage, to predict the thermal comportment. To predict thermal fields, in such a complex system, modelisation approaches, such as finite volume or finite-element methods (the use of CFD in the case of coupled convection/conduction problems) are commonly used in industry. Despite their ability to provide suitable and accurate results, that kind of numerical methods don't fit with the preliminary design stage requirements, especially in term of implementation and calculation time. On the opposite, model based on RC thermal network seems to meet the requirements of fast calculation time and implementation time thanks to fully adapted parameterization.

Les machines électriques synchrones à aimants permanents sont susceptibles de rencontrer un disfonctionnement suite à un échauffement non maîtrisé. L’objectif de cette étude est de développer un modèle thermique générique et prédictif pouvant simuler diverses situations d’intérêts: régime permanent, régime transitoire, mode dégradé, entrefer immergé, haute vitesse. Pour cela, la méthode nodale est utilisée pour développer le modèle thermique générique. En parallèle, un banc d’essai et un prototype sont conçus pour valider le modèle. L’étude de sensibilité des résultats du modèle à certains paramètres montrent que certains coefficients de convection, certaines conductances de contact et la conductivité thermique radiale du bobinage ont une influence considérable sur les résultats du modèle. Cependant ces paramètres sont mal connus, car ils sont issus des formules empiriques ou des abaques. Grâce au prototype et au modèle développé, ces paramètres sont identifiés. Trois méthodes d’identification sont testées pour aboutir à une stratégie d’identification: les algorithmes génétiques, la méthode de Gauss-Newton et la méthode de Levenberg-Marquardt. Plusieurs essais sont effectués sur le prototype instrumenté. La mesure des températures à des lieux précis du prototype permet d’identifier les paramètres mal connus et de valider le modèle. / Permanent magnet synchronous machines are likely to break down due to poorly controlled heating. The goal of this study was to develop a generic and predictive thermal model to calculate the temperature of machines during the design phase simulating temperatures at various states. These states include: steady state, transient state, fault mode, axial circulating of a cooling fluid in the air-gap and high speed. The lumped parameter method was used to develop this generic thermal model. Meanwhile, a test bench and a prototype instrumented with thermocouples were manufactured to validate the model at the same time. Sensitivity studies of the results of the model to some parameters demonstrated that some convective coefficients, contact conductances and the thermal conductivity of the winding in the radial direction influenced the model. However, these parameters are poorly known, because empirical formulas or abacus are used to calculate them. Using, the prototype and the developed model, these parameters were identified. Three methods of identification were tested in order to find a strategy for the identification: the genetic algorithms method, the Gauss-Newton method and the Levenberg-Marquardt method. Many tests were done on the prototype. The measure of the temperatures on the specific place allows to identify these parameters and to validate the model.

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet. / Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.