Face aux défis du XXIème siècle concernant l'approvisionnement mondial en énergie et le réchauffement climatique, il est capital de développer des systèmes de stockage d'énergie efficaces et compétitifs. Parmi eux, la technologie Lithium-Air fait l'objet de nombreuses recherches car elle présente une densité d'énergie théorique dix fois supérieure à celle des batteries Li-ion actuellement utilisées, mais la complexité des réactions chimiques mises en jeu la cantonne au stade de la recherche. Afin d'étudier de manière fiable et reproductible les batteries Li-Air, une nouvelle cellule de test électrochimique intégrant un capteur de pression a été développée. Elle permet d'estimer la quantité de réactions parasites associées à une configuration de batterie lors du cyclage à court et long terme (> 1000 h). Une étude comparative des différents électrolytes les plus utilisés a été réalisée, révélant la différence de comportement entre ces différentes espèces ainsi que l'instabilité de l'anode composée de lithium métallique. Nous avons donc abordé le remplacement de l'anode de lithium par une électrode de silicium pré-lithié. En étudiant l'influence de différentes techniques de pré-lithiation sur des électrodes contenant des particules de Si oxydées en surface, un phénomène de réduction de SiO2 en Si a été mis en évidence, apportant ainsi un gain substantiel en capacité. Les électrodes " activées " ont ensuite été utilisées en tant qu'anode dans les cellules complètes LixSi-O2. Après optimisation, la durée de vie obtenue est supérieure à 400 h (> 30 cycles), ce qui est comparable à la littérature actuelle mais toutefois limité par la présence de réactions parasites. / Supplying the world energy demand while reducing the greenhouse gases emissions is one of the biggest challenges of the 21st century; this requires the development of efficient energy storage devices enabling the utilization of renewable energies. Among them, Lithium-Air batteries are very attractive due to their high theoretical energy density – 10 times that of the current Li-ion batteries – but their development is hindered by the complexity of the chemistry at play. In order to understand such chemistry, we designed a new electrochemical test cell that integrates a pressure sensor, thereby enabling an accurate in operando monitoring of the pressure changes during charge/discharge with high reproducibility and sensitivity. Its use is demonstrated by quantifying the parasitic reactions in Li-O2 cells for various electrolytes frequently encountered in the literature. Through this comparative study, we are able to observe the phenomena currently limiting the performances of Li-O2 batteries after a long cycling (> 1000 h), such as parasitic reactions and the instability of the Li anode. To address the later issue, Li was replaced by a prelithiated silicon electrode made of Si particles oxidized in surface. We demonstrated the feasibility of enhancing both their capacity and cycle life via a pre-formatting treatment that triggers the reduction of their SiO2 coating by liberating pure Si metal. The full LixSi-O2 cells using such treated electrodes exhibit performances competing with the best analogous systems reported in the literature (> 30 cycles; more than 400 h of cycling), but the development of practical prototypes still requires to improve the cycle-life.

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne / Continuous pulse rate, blood pressure and blood flow monitoring are important for the assessment of physiological vital signs as these are able to provide continuous feedback on the health condition of an individual. Existing commercial, medical and research methods to continuously acquire such these physiological vital signs require good electrical or optical contact. During this research, a magnetic based sensing method, at room temperature, for blood pulse, flow and pressure is developed to achieve data acquisition through fabric, environmental contaminants and body-fluids. This method is named Modulated Magnetic Signature of Blood (MMSB) and physical measurements were conducted on multiple subjects, mathematically modelled and simulated in a multi-physics environment with verification through use of measurement data. Measurement results, using MMSB, for blood pressure and blood flow were compared, and found to be well correlated, with lifestyle device and medical research instruments respectively. In addition, two devices are developed, and are in the midst of commercialization, to support lifestyle applications

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique à l'École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca et l'ONERA. Le sujet de recherche porte sur l'interaction rouet-diffuseur et sur l'entrée en régime de pompage d'un étage de compresseur centrifuge transsonique à fort taux de compression étudié à vitesse de rotation de croisière (0,927Nn). L'alimentation des analyses est réalisée par trois méthodes de mesures et deux types de simulations numériques. Le module d'essai est installé sur le banc d'essai 1 MW du LMFA. La caractérisation expérimentale du compresseur TM est réalisée par le biais de mesures de pression et température auxquelles sont adjointes des mesures du débit et de la vitesse de rotation de la roue mobile. La description de l'écoulement interne au compresseur s'appuie sur les résultats de sondages par Anémométrie Laser à effet Doppler (LDA) et de mesures de pression à haute fréquence. Les simulations numériques sont réalisées par l'intermédiaire du code de calcul elsA développé par l'ONERA, qui permet de résoudre le système d'équations de Navier-Stokes couplé à un modèle de turbulence k-l de Smith. Deux modélisations de l'interaction rouet-diffuseur permettent de générer des champs aérodynamiques stationnaires (modèle plan de mélange) et instationnaires (modèle chorochronique). La comparaison entre les données expérimentales et numériques est très satisfaisante et permet alors de profiter pleinement de la richesse des informations numériques. L'examen détaillé de l'écoulement interne au rouet pour trois points de fonctionnement (à débit bloqué, à rendement maximum et à proximité du pompage) révèle que, du blocage vers le pompage, l'évolution de l'intensité et de la taille du tourbillon de jeu est le point de départ d'un enchaînement de mécanismes conduisant à la dilatation du sillage de la structure jet-sillage. Pour l'écoulement en amont du diffuseur, ceci ce traduit en moyenne temporelle par une augmentation de l'incidence principalement au voisinage du moyeu. L'onde de choc en amont des aubes du diffuseur remonte à mesure que le débit du compresseur diminue. La trajectoire de l'écoulement principal bascule du côté de la face en dépression vers le côté de la face en pression du canal inter-aubes du diffuseur. La cartographie des nombreux décollements de couches limites est également modifiée à l'approche du pompage. Les structures instationnaires majeures sont produites par l'interaction de l'onde de choc en amont des aubes du diffuseur avec les pales du rouet. Des ondes de pression progressives et des poches à faible nombre de Mach sont ainsi générées. Les ondes pression impriment d'intenses fluctuations au champ de vitesse qui favorisent le processus de mélange. En conséquence, les couches limites sont plus robustes vis-à-vis des décollements (en moyenne temporelle). Le défilement instationnaire des poches à faible nombre de Mach engendre une dissymétrie marquée des conditions d'alimentation du diffuseur dans la direction azimutale. Au cours du changement de point de fonctionnement en allant du débit bloqué vers le pompage, les ondes de pression se renforcent et la taille des poches à faible nombre de Mach diminue. De ce fait, les conditions sont plutôt favorables à retarder l'entrée en pompage du compresseur qui est localement initié en amont du diffuseur aubé. Le pompage du compresseur est provoqué par un changement rapide de la structure supersonique de l'écoulement en entrée de diffuseur qui est alors déstabilisée par les fluctuations de pression des ondes progressives. / The present work is in line with a collaboration between the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique at École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca and ONERA. The subject is focused on impeller-diffuser interaction and phenomena occurring during surge ignition of a transonic centrifugal stage with high-compression ratio at cruise rotation speed (0,927Nn). The analysed data come from three measurement devices and two kinds of numerical simulations. The 1MW LMFA-ECL test rig was used for carrying out the experiments on the centrifugal compressor stage. The global performances were obtained by pressure, temperature, mass flow rate and rotation speed measurements. The internal flow field properties were probed by Laser Doppler Anemometry (LDA) and high frequency pressure measurements. The computations were performed with the elsA software developed at ONERA. The code solves the compressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations associated with the two-equations (k-l) turbulence model of Smith. Two models of impeller-diffuser interaction were used to simulate the flow within the compressor. The first model is based on the Averaged Passage equations, gives a stationary description of the internal flow fields. The second model is based on the phase lagged approach and allows access to the unsteady phenomena. A good agreement between experiments and simulations was obtained, which justifies the use of the CFD results for the flow field analysis. Analysis of the flow development within the impeller were carried out for three operating points (choke, peak efficiency and close to surge). This study shows that, from choke to near surge, the development of the tip clearance vortex is the starting point of a sequence of physical mechanisms which lead to an extend of the wake of the jet-wake structure. The change in flow field at impeller exit tends to increase the upstream incidence of the vaned diffuser, especially close to the hub. The vane bow shock wave progresses in the impeller passages when the operating point moves from choke to near surge. The location of the main flow moves from suction side to pressure side of the vaned diffuser passage. The topology of the boundary layer separations within the diffuser passage is deeply affected when approaching surge. The main unsteady structures are generated by the interaction between the bow shock wave and the impeller blades. Progressive pressure waves and low Mach number flow bubbles are generated by this locally time-spaced interaction phenomenon. The pressure waves lead to strong fluctuations of the velocity field. As a consequence, the boundary layer becomes more resistant in relation to the separations (in term of time-averaged point of view). In time-averaged point of view, the low Mach number flow bubbles lead to inhomogeneous conditions at the vaned diffuser inlet along the azimuthal direction . From choke to near surge operating point, the strength of the pressure wave increases whereas the size of the low Mach number flow bubbles decreases. These conditions are quite favourable to push back the surge limit which is locally initiated in the inlet part of the vaned diffuser. The surge of the compressor is produced by a rapid change in supersonic flow structure at diffuser inlet. The pressure fluctuations due to the progressive waves lead to destabilise the new supersonic flow configuration and degenerate in the global instability of the compressor flow.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet de recherche translationnel visant à améliorer la conception des corsets orthopédiques de traitement de la scoliose par la mise en place, par méthode inverse, d'un modèle biomécanique global, simplifié et personnalisé, propre au tronc de chaque patient scoliotique. Ils constituent la première étape de ce projet, à savoir, développer et mettre en œuvre des techniques, outils et protocoles permettant, d'une part, la construction d'un modèle géométrique 3D de la surface externe et des éléments internes du tronc du patient à partir de radiographies bi-planes issues d'un équipement standard et du système Model Maker (Proteor), et d'autre part, la mesure des pressions exercées par le corset ainsi que leur recalage sur les géométries reconstruites. Des reconstructions géométriques 3D du tronc avec et sans corset ainsi que des mesures de pressions ont été réalisées pour 11 patients. La conception d'un unique dispositif de calibration associé à un protocole spécifique permet l'acquisition des différentes données quasi sans déplacements du patient. Sa facilité de transport, d'installation et son faible coût, associés à un temps d'acquisition ne pénalisant pas le confort du patient, rendent envisageable son utilisation en routine clinique. L'utilisation de modèles géométriques paramétriques, associée à des équations de prédiction des paramètres anatomiques, permet d'obtenir une initialisation rapide des géométries des éléments internes du tronc à partir d'un nombre réduit de points anatomiques à numériser. Les mesures de la pression exercée par le corset, effectuées à l'aide d'un dispositif innovant muni de capteurs entièrement réalisés en fibres textiles lui permettant d'épouser parfaitement les courbes anatomiques, ont mis en avant les variations de correction, non négligeables, qu'entraînent la modification de la position du patient. / This thesis is a part of a translational research project to improve scoliosis orthopedic brace design through the use, by inverse method, of a simplified and personalized comprehensive biomechanical model for each scoliotic patient’s trunk. It represents the first step of this project, namely, to develop and to implement methods, tools and protocols allowing, on one hand, 3D reconstruction of the external shape and internal components of patient’s trunk from biplanar X-rays (performed with a standard device) and the Model Maker system (Proteor), and on the other hand, measurements of the pressure infered by the brace and their registration on the reconstructed geometry. 3D modeling of the trunk with and without brace as well as pressure measurement were carried out on 11 patients. The development of a common calibration device associated to a specific protocol allows data acquisition nearly without displacements of the patient. Its ease of transportation, installation and a low cost associated with an acquisition time which not penalize the patient’s comfort make possible its use in clinical routine. The use of parametrics geometrical models associated with prediction equations of anatomical parameters provides fast initialization of the geometries of trunk’s internal elements from a reduced number of anatomical landmarks to digitize. Measurements of the pressure infered by the brace, performed thanks to an innovative device made of pressure-sensitive textile fibers allowing it to perfectly fit anatomical curves, have highlighted significant correction variations according to the patient’s position.

Le travail mené dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement au sein d’un éjecteur supersonique. Le régime d’écoulement qui s’installe dans ces appareils est très complexe du fait des phénomènes physiques qui les caractérisent comme la turbulence et les ondes de choc. Les méthodes expérimentales utilisées sont la mesure de la pression le long de l’axe de l’éjecteur `a l’aide d’une sonde développée à cet effet, la visualisation de l’écoulement par tomographie laser et la mesure de vitesse par PIV. Les simulations numériques sont réalisées à l’aide du code Ansys-Fluent en 2D axisymétrique et en 3D. Dans un premier temps, une étude de sensibilité du modèle numérique portant sur les paramètres de simulations et les modèles de turbulence est menée sur l’éjecteur fonctionnant sans flux induit. La validation des simulations repose sur une comparaison des résultats numériques avec des mesures de vitesse par PIV. Un modèle 3D s’est avéré incontournable pour l’étude de l’écoulement dans l’éjecteur avec flux induit à cause de sa géométrie complexe. Les outils expérimentaux et numériques développés permettent d’analyser finement l’interaction des flux moteur et induit, en particulier les processus de recompression par chocs obliques et de mélange. Une tentative de modélisation par LES des instabilités de l’écoulement détectées expérimentalement est également abordée. / The work reported in this thesis relates to the experimental and numerical studies of the flow within a supersonic ejector. The flow pattern which occurs in these apparatuses is very complex because of the flow phenomena encountered like flow turbulence and shock waves. The experimental methods used are the measurement of the pressure along the axis of the ejector using a specific probe developed for this purpose, the flow visualization by laser tomography and the velocity measurement by PIV. The numerical simulations are carried out using the Ansys-Fluent code with 2D axisymmetric and 3D models. First, a study of sensitivity to the numerical parameters of simulation and to the turbulence models is carried out on the ejector operating without induced flow. The validation of the simulations is achieved by a comparison between the numerical results and velocity measurements by PIV. A 3D model is necessary for the simulation of the flow in the ejector operating with induced flow because of the complex ejector geometry. The experimental techniques and the numericalmodels developed make it possible to analyze the interaction of the primary and secondary flows, in particular the process of recompression by oblique shocks and the mixing process. An attempt at modeling by LES simulation the flow instabilities detected during experiments is also approached.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé. / The Darrieus wind turbine has entered a period of renewed interest over the last years because it may stand for an alternative solution to produce electricity in urban areas. In particular, high solidity wind turbine can be chosen to take benefit from some of its key properties for use near populated city areas. Conversely, some aerodynamic problems arise. This type of wind turbine operates at low tip speed ratio for which dynamic stall has a very significant role. The goal of this work is to provide valuable data to complement the knowledge of the dynamic stall phenomenon that occurs on a vertical axis wind turbine in order to improve existing numerical models. This study relies on a combined analysis of numerical and experimental results. The numerical simulations are based on a bidimensional unsteady vortex panel method. Effects of viscosity are introduced by adding corrections computed with a semi-empirical dynamic stall model. The experimental work focuses on the dynamics of the shed vortices existing in the vicinity of the rotor as a result of dynamic stall. The set-up consists of a straight-bladed wind turbine tested in a wind tunnel. Unsteady pressure distribution measurements along the chord and velocity fields measurements by particle image velocimetry were carried out. Results indicate how the characteristics of dynamic stall are conditioned by the tip speed ratio. Stall inception delay, magnitude of the dynamic stall vortex effects and its convection velocity were evaluated. Blade/Vortex interaction was analyzed through the observation of the vortical system downstream of the rotor. In addition, a critical review of the suitability of the Leishman-Beddoes model to effectively simulate the effects of dynamic stall was accomplished.

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations tant européennes que mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour de nombreuses industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'empilement (dévers) étant connu pour avoir une influence sur les émissions acoustiques des ventilateurs, trois ventilateurs à empilements différents seront comparés tout au long de ce mémoire. Un banc d'essai permettant l'acquisition des pressions moyennes et instationnaires sur les pales des ventilateurs est conçu puis fabriqué. Ces données sont nécessaires comme entrées d'un modèle de prévision du bruit de bord de fuite. Les spectres de pressions mesurés sont comparés à différents modèles puis utilisés pour obtenir le spectre acoustique en champ lointain à partir du modèle d'Amiet de bord de fuite. Ce modèle prévu pour un profil fixe est adapté pour un ventilateur. Puis une simulation numérique RANS avec modèle de turbulence du deuxième ordre, de ces trois ventilateurs, est réalisée afin d'obtenir : les performances globales des ventilateurs à différents débits, la morphologie de l'écoulement notamment les profils des vitesses aval, les composantes du tenseur des contraintes de Reynolds, les champs de pression sur les pales et les variables de la couche limite. Toutes ces données sont comparées avec différentes mesures sur un banc normalisé permettant la mesure du débit de fonctionnement

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier, une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentré sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé.