L’aérosolthérapie a pour objectif de délivrer un médicament dans les voies respiratoires. Le nébuliseur pneumatique est un dispositif permettant de générer des gouttelettes de liquide de diamètre micrométrique. Son processus d’atomisation a cependant été peu analysé. Ainsi, les performances du nébuliseur, caractérisées par le diamètre des gouttes et la masse de médicament inhalable par le patient, et atteignent un palier. Notre travail consiste à utiliser un modèle numérique diphasique en 3D basé sur une géométrie donnée et paramétré sous ANSYS Fluent. Plusieurs méthodes sont utilisées pour caractériser expérimentalement la génération de l’aérosol : l’ombroscopie, la diffractométrie laser et l’anémométrie phase Doppler. Notre modèle est validé par rapport aux données expérimentales et peut donc être exploité pour analyser les processus de génération. L’influence de plusieurs paramètres physiques sur les caractéristiques de l’aérosol produit est étudiée. Ainsi, l’étape de génération de gouttelettes est optimisée pour le développement d’un nouveau nébuliseur. Le transport des gouttes aux poumons du patient est optimisé empiriquement. / The purpose of aerosol therapy is to deliver drugs into respiratory airways. The jet nebulizer is a device used to generate liquid droplets with a diameter lower than 5 μm. However its atomization process was not much analyzed. Nebulizer performances, which are characterized with droplet size and drug mass inhaled by the patient, are empirically optimized and have reached a plateau. Our work consists in setting a 3D diphasic numerical model on ANSYS Fluent, based on a given geometry. Several methods are used to experimentally characterize aerosol generation: shadowgraphy, laser diffractometry and phase Doppler anemometry. Our model is validated by experimental data and helps predicting generation processes. The influence of several geometric and physical parameters on the output is studied. From these data, droplet generation is optimized for the development of a new nebulizer. Droplet transport to the patient lungs is empirically optimized.

Les machines frigorifiques à absorption ammoniac-eau sont prometteuses dans les domaines de la climatisation solaire et de la valorisation des rejets thermiques pour l’industrie. Pour permettre à ces machines de devenir compétitives par rapport aux systèmes à compression mécanique de vapeur, l’amélioration de leur efficacité et la baisse de leur coût sont nécessaires. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse.L’étude se concentre sur l’absorbeur qui est un des composants les plus critiques de la machine à absorption en matière de taille, de coût et d’efficacité. L’objectif est d’étudier numériquement et expérimentalement les transferts couplés de masse et de chaleur dans l’absorbeur dans le but de prédire et d’améliorer ses performances.Deux absorbeurs à film tombant sont étudiés, dans lesquels la solution pauvre et la vapeur entrent en haut et le fluide caloporteur entre en bas. Le premier est un échangeur à plaques soudées et le deuxième est un échangeur à plaques et joints avec des dimensions et des profils de plaques différents.L’analyse expérimentale de ces deux absorbeurs est réalisée dans des conditions réelles de fonctionnement sur un prototype instrumenté de machine à absorption ammoniac-eau de 5 kW. Ce dispositif permet une analyse globale des débits de vapeur absorbés, des flux thermiques évacués et des efficacités d’absorption. Une analyse plus locale est aussi réalisée à l’aide de mesures de températures à l’intérieur des canaux de refroidissement dans l’absorbeur plaques et joints. Les résultats montrent une importante corrélation entre la puissance frigorifique produite par la machine à absorption et les performances de l’absorbeur. Mais ce prototype étant une machine réelle, les variables d’entrée de l’absorbeur ne peuvent pas être contrôlées. Un modèle numérique est donc nécessaire pour dissocier l’impact des différentes variables sur les performances de l’absorbeur.Un modèle 1D d’un absorbeur à film tombant est donc développé. Il est basé sur des bilans de masses, d’espèces et d’énergies, des équations de transferts de masse et de chaleur et des conditions d’équilibre à l’interface liquide-vapeur. Les résistances aux transferts de masse sont considérées dans les phases liquide et vapeur et des corrélations empiriques sont utilisées pour calculer les coefficients de transfert de masse et de chaleur.Ce modèle est validé expérimentalement avec les données globales aux bornes des deux absorbeurs et avec les mesures de températures le long des canaux du fluide de refroidissement puisqu’une différence maximale de 15% est observée. Il permet donc l’analyse détaillée des phénomènes de transferts de masse et de chaleur le long de l’absorbeur et facilite l’étude du procédé d’absorption.Enfin, une étude de sensibilité paramétrique est réalisée avec ce modèle pour discuter des résultats expérimentaux et pour identifier les pistes d’amélioration des performances de l’absorbeur et donc de la machine à absorption. / Ammonia-water absorption chillers are promising both for solar air conditioning and for industry processes. To become competitive compared to electric compression chillers, their efficiency needs to be improved and their cost has to be decreased. This thesis study takes place in this context.The focus is put on the absorber, which is one of the most critical component of absorption chillers in terms of compactness, cost and efficiency. The purpose is to study numerically and experimentally coupled heat and mass transfers which occur in the absorber in order to predict and improve its overall performances.Two falling film absorbers are analysed. In both of them, the poor solution and the vapour enter at the top and the coolant fluid enters at the bottom of the absorber. The first absorber is a brazed plate heat exchanger and the second is a gasketed plate-and-frame heat exchanger with different geometric dimensions and plates corrugations.The experimental study of these two absorbers is performed in real working conditions on an instrumented ammonia-water absorption chiller prototype of 5 KW. Thanks to this device, a global analysis of vapour absorbed mass flow rates, absorbed heat fluxes and mass effectiveness is achieved. A local analysis is also performed thanks to temperature measures inside channels of coolant fluid in the gasketed plate-and-frame heat exchanger. Results show a strong correlation between the absorption chiller cooling capacity and the absorber performances. However, since this prototype is a real chiller, absorber inlet variables cannot be controlled. Thus, a numerical model is necessary to dissociate the impact of these variables on the absorber performances.A 1D numerical model of the absorber is developed. It is based on mass, species and enthalpy balances, mass and heat transfer equations and equilibrium conditions at the vapour/solution interface. Mass transfer resistances in both liquid and vapour phases are considered while heat and mass transfer coefficients are calculated using empirical correlations.This model is validated experimentally with global data at the inlet and the outlet of the absorber and temperature measures along the absorber coolant fluid channels. A maximal relative error of 15 % is observed. Therefore, a detailed analysis of combined heat and mass transfers along the absorber and the absorption process study is performed thanks to this model.A parametric study is also performed with this model to discuss experimental results and find ways to improve the absorber performances and thus the absorption chiller performances.

Dans un contexte industriel où l’utilisation de matériaux composites s’est généralisée jusqu’à atteindre les structures primaires, la menace foudre se révèle être une problématique majeure.Avec un coup de foudre en moyenne par an et par avion en service, les nouvelles structures composites, moins bonnes conductrices que leurs prédécesseurs en métal, doivent être protégées. Les protections mises en œuvre par les fabricants et les équipementiers sont des couches minces ajoutées à l’empilement composite, initialement choisi pour le compromis optimal qu’il offre entre résistance et légèreté. L’optimisation et le conseil concernant les protections foudre deviennent alors un enjeu industriel d’importance. Dans ce cadre, le travail de thèse a porté sur l’étude et la compréhension des dommages issus des chocs foudre sur des structures protégées dans le but ultérieur d’optimiser ou de créer des protections adaptées.Nous proposons une méthode qui permet de déterminer les caractéristiques d’un impact mécanique sur une plaque composite nue, équivalent à un choc foudre sur une structure protégée. Une campagne d’essais d’impacts avec un canon du laboratoire couplé à une campagne numérique ont permis de conclure que la stratégie et la méthode d’équivalence sont fondées, et permettent de prendre en compte les paramètres constitutifs de la protection de surface. Les modèles proposés permettront d’aborder les questions de conception des protections. / In an industrial context where more and more composite materials are integrated into primary structures, the lightning threat has become a major issue for aircraft manufacturers. As lightning strikes in service airplane about once a year, the new composite structures, with a lower electrical conductivity than their metallic predecessors, must be protected. The protections already integrated by manufacturers are mainly made of expanded metallic foil layered above the composite lay-up, thus adding weight on the low density structures and reducing the gain of weight. The optimization of such structures and counsel concerning lightning protection become a major industrial stake. In the scope of the PhD work, the proposed work focused on the study of the damage mechanisms due to lightning strikes on protected composite panels in order to optimize or offer adequate protections against this threat. A methodology is proposed to determine a mechanical impact on a bare composite plate equivalent to a protected and even painted structure submitted to a lightning impact. An experimental campaign of mechanical impacts using a canon gas gun coupled to a numerical plan is led and allows concluding on the strategy and its validity by taking into account the state surface of the lightning samples.

Ce travail de thèse explore la dynamique à sousmésoéchelle sur le plateau continental du golfe de Gascogne. Dans la première partie, les caractéristiques des processus à sousmésoéchelle sur le plateau sont identifiées à l’aide de données satellites à haute résolution de température de surface de la mer issues du capteur MODIS. Une détection des fronts est réalisées à l’aide d’exposants de singularité, une approche récente pour identifier les irrégularités dans les champs de SST. Les résultats sont complétés par des simulations numériques à 2.5 km de résolution spatiale. Trois types principaux de fronts sont présentés : i) les fronts de marée le long de la côte et plus marqués dans la région d’Ouessant; ii) les fronts au niveau du talus continental liés à l’activité des ondes internes; iii) les fronts d’eaux dessalées aux limites des panaches de rivières en hiver. Dans la seconde partie, un modèle hydrodynamique réaliste du golfe de Gascogne a été mis en place. Cette configuration a une résolution spatiale de 1 km et 40 niveaux verticaux sigma. Un diagnostic est basé sur l’hypothèse que les processus à sousmésoéchelles résultent d’instabilités baroclines. L’énergie potentielle disponible est ainsi convertie en énergie cinétique tourbillonnaire avec des échelles temporelles O(1) jour ou moins grâce à ces processus. L’activité est plus intense dans la région d’Ouessant et les régions côtières en été. En hiver, ces processus ont une échelle temporelle O(1) jour (∼ 30 heures). Ces échelles temporelles sont un indicateur de la présence d’instabilités baroclines à sousmésoéchelle à proximité du panache. / This thesis explores the submesoscale dynamics in the Bay of Biscay continental shelf. In the first part, submesoscale features over the shelf are identified using remotely sensed high resolution sea surface temperature (SST) images by MODIS. Front detection is achieved through singularity exponents, a novel method of calculating irregularities on the SST fields, and an index for the frontal activity is generated. Results are complemented with 2.5 km horizontal resolution numerical simulations. Three main types of fronts are presented: i) tidal mixing fronts along the coast and most significantly in the Ushant region; ii) shelf break front related to internal tidal wave activity; iii) fresh water fronts along the edge of the river plumes in winter. In the second part, a realistic hydrodynamical model of Bay of Biscay is set up. The model has a 1 km horizontal resolution and 40 σ vertical layers. Diagnostics is based on the assumption that the submesoscale features in the upper ocean are the result of baroclinic instabilities. Available potential energy (APE) is then converted to eddy kinetic energy (EKE) in time scales in O(1) day or less through this process. Activity increases in the Ushant region and the coastal regions in summer, whereas, in winter, activity in the vicinity of the fresh water plumes dominates. In summer, EKE conversion time scale in this region is ∼ 5 days, which can be considered shorter than mesoscale. In winter, they have a time scale of O(1) (∼ 30 hours). This is an indicator that the submesoscale baroclinic instability is happening at the plume.

Afin de comprendre les mécanismes d’usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l’utilisation d’une approche par éléments finis et de techniques d’homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l’échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l’homogénéisation. L’influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l’influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L’extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l’endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu’aux détachements de particules. / To understand the mechanisms of wear and friction of carbon 1 carbon composites (C/C} used in aeronautical braking, a numerical model is used to separate the mechanical effects of the physico-chemical and thermal effects. The model is based on the use of an approach by finite elements (FE} and techniques of homogenization applied to a representative elementary volume (RVE} of the material in the mesoscopic scale rubbing on a rigid or deformable surface. In this scale, the material is described by a matrix in carbon and packages of carbon fiber called strands, perpendicular on the contact surface. To insure the representativeness of the structure of the material, several heterogeneous models are studied. The results are compared with those obtained with the equivalent homogeneous model which ensues from the homogenization. The influence of the conditions of contact (the rigidity), as well as the influence of the distribution of strands at the contact surface on the regimes of vibrations of the various models are revealing. The extension of the numerical model in a contact between two composites underline a strong increase of maximal constraints mainly localized in the strands present on the contact surface. These strong localizations of constraints can have for consequence the damage of strands what leads the degradation of the contact surface until the detachments of particles.

La liquéfaction des sols s'observe lors de forts séismes dans des zones saturées en eau et peut causer un enfoncemenl des bâtiments dans le sol. On propose ici un nouveau modèle qui explique de nombreux cas de liquéfaction incompris jusque là. Un modèle analytique de milieu granulaire a été conçu avec une sphère modélisant un bâtiment. Le milieu est soumis à une oscillation horizontale et on caractérise l'état liquéfié par l'amplitude d'enfoncement de la sphère. On suppose que la liquéfaction a lieu lorsque la secousse permet aux grains du milieu de glisser les uns sur les autres. La fenêtre d'accélération permettant ce glissement dépend de la hauteur d'eau dans le milieu, du coefficient de frottement et de la densité du matériau. Les expériences et les simulations numériques réalisées confirment nos prédictions précédentes, caractérisent la micromécanique des milieux liquéfiés, expliquent la vitesse de pénétration de la sphère et ouvrent des pistes pour l'étude des sables mouvants. / Sail liquefaction happens during important earthquakes in water-saturated zones and can make the buildings sink in the soil. A new model explaining many occurences of liquefaction we cannot understand yet is presented in this paper. A new analytical model of granular medium, with a sphere representing a building, has been developed. A horizontal oscillation is applied on the medium. The penetration rate of the sphere then caracterizes the liquefaction state of the modeled soil. We suppose that liquefaction happens when the shaking makes the grains slide against one another. The interval of acceleration allowing this sliding depends on the water height in the medium, on the friction coefficient and on the material density. Experiments and numerical simulations have been carried out. They confirmed our previous predictions, they caracterize the micromecanics of liquefied media, they explain the penetration speed of the sphere and they suggest perspectives to study quicksands.

Les marées internes sont des processus dynamiques très répandus observés de façon intense près des marges continentales. Leur signature sur la surface libre de la mer est souvent observée sur les images satellites, montrant des systèmes d'ondes complexes au dessus des marges continentales irrégulières tels que la marge Ouest-Ibérique. Leur génération et leur distribution spatiale sont l'objet du présent travail, qui explore les processus physiques derrière la génération et la propagation de ces modes baroclines, au-dessus de canyons sous-marins et de promontoires, représentatifs des structures observées sur le talus Ouest-Ibérique. La solution de marée super inertielle est étudiée par le biais de simulations numériques, utilisant des configurations de topographie, soit réalistes soit idéalisée, en océan homogène ou stratifié (configuration bi couches et stratification continue). Les bassins océaniques sont dotés de talus et plateaux continentaux de faible profondeur qui détournent la propagation des marées océaniques de leur cours naturel. Les ondes de marée côtières sont ensuite réfléchies et/ou piégées sous différents modes possibles, fonction de la latitude, de la fréquence de forçage, du relief topographique et de la stratification de la colonne d'eau. Différents accidents topographiques, tels que les canyons sous-marins, les vallées, les promontoires et les bosses peuvent façonner des marges continentales afin de créer des pentes abruptes tangentielles au talus, qui deviennent effectivement des sites de production des marées internes. L'origine des marées internes se situe dans les forces d'attraction astronomiques, mais la répartition spatiale des solutions le long des marges continentales est distincte à travers le monde. La diversité du relief topographique module de façon spécifique les solutions de courant de marée barotropes, dont l'énergie est ensuite dissipée dans les modes baroclines en de nombreux endroits accidentés et à différents instants par rapport à la phase de marée.A mi-latitude, la force d'inertie terrestre divise le spectre de marée en ondes diurnes sub-inertielles et ondes semi-diurnes super-inertielles, donnant lieu à des ajustements en différents types de modes. La modélisation réaliste de la marée barotrope le long de la marge ouest-Ibérique vérifie cette différence de comportement et devient le point de départ de la présente thèse. Alors que les composantes diurnes génèrent des modes d'ondes continentales piégées le long du littoral, les harmoniques semi-diurnes montrent des structures de courants complexes, corrélées spatialement aux canyons sous-marins locaux et aux promontoires (pour lesquels on modélise une accroissement de l'amplitude du courant de marée associé à une inversion du sens de rotation).Ces distorsions super-inertielles des ondes de marée sont analysées et interprétées en utilisant des configurations de bathymétrie idéalisées. Les configurations canyon sous-marin et promontoires sont considérées comme des anomalies (sinusoïdale de signe opposé) de la largeur du plateau continental, situées au milieu du domaine modélisé. L'onde de marée monocromatic super-inertielle forcée aux limites, tient compte de l'hypothèse d'un plateau uniforme dans la direction tangentielle. Les résultats obtenus révèlent une distorsion importante du flux de marée qui peut être interprétée par la dynamique de la vorticité du fluide dans le cadre du principe de conservation du moment angulaire. / Oceanic internal tides are ubiquitous dynamic features, densely observed near continental margins. Their sea-surface signature is frequently printed in remote sensing images, showing complex wave patterns over irregular shelves such as the West-Iberian margin. Their origin and spatial distribution is the subject of the present work, which explores the physics behind the generation and propagation of these baroclinic modes, over submarine canyon and promontory shelf features. It focuses on the study of the super-inertial tide solution by the use of numerical model simulations of realistic and idealized topography configurations, under homogeneous, two-layers and continuous stratified water columns. The ocean basins are flanked by shallow water continental margins that divert ocean tides from their natural course. Coastal tide waves are then reflected and/or trapped in several possible wave modes, function of the latitude, forcing frequency, topographic relief and water column stratification. Different shelf features, such as submarine canyons, valleys, promontories and bumps can shape continental margins to create abrupt along-shelf slopes that become effective internal tide generation sites.

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet TRAX. Il s’agit là du développement de moteurs électriques destinés à la traction des petits véhicules électriques urbains. Les caractéristiques clés d’une machine électrique pour une application de traction sont le couple, le rendement, la fiabilité, l’encombrement et la plage de vitesse à puissance maximale (dé-fluxage). Les machines électriques à aimants permanents répondent à ces exigences. C’est pourquoi ce travail de thèse s’est intéressé à l’étude des performances de machines à aimants permanents en proposant une étude comparative. Un état de l’art basé sur l’étude des brevets des machines électriques dans les applications automobiles est réalisé. Une description des dernières avancées des moteurs électriques principalement des structures à aimants permanents est fournit. Nous avons modélisé une première machine avec une méthode ana-lytique simplifiée basée sur la résolution des équations de Maxwell en 2D. Cette méthode est confrontée à une méthode numérique. Trois nouvelles machines sont définies à partir de la première en modifiant la configuration du rotor. La comparaison de quatre structures à aimants permanents est réalisée par des modèles numériques. Les performances à vide et en charge ainsi que le calcul des inductances dans l’axe direct et en quadrature sont évaluées. Les résultats théoriques sont comparés aux essais expérimentaux. / The thesis is part of the TRAX project. It deals with development of electric motors used for traction of small urban electric vehicles. The key characteristics of an electric machine for traction application are the torque, efficiency, reliability, size and flux-weakening. The permanents magnets electric machines meet these requirements. That’s why this thesis takes interest in the performances of permanents magnets machines by proposing a comparative study. A study of patents for electrical machines in automotive applications is realized. A description of the latest advances in electrical motors, mainly in permanent magnet structures, is provided. We started to model a first machine with a simplified analytical method based on the resolution of Maxwell's equations in 2D. This method is compared with a numerical method. Three new machines are defined from the first one by changing the configuration of the rotor. The comparison of four structures with permanent magnets is realized by numerical models. No load and load performances, as well as the calculation of inductances in the direct and quadrature axis, are evaluated. The theoretical results are compared with experimental tests.

No description available.

L’objectif est la construction numérique d’un modèle 3D régional de la plaine de Sidi Bouzid permettant la quantification du transfert hydrique et du rôle des crues sur le processus de recharge. Des simulations numériques de l’écoulement ont été réalisées à l’aide de Feflow et validées par des données mesurées in situ. Une conceptualisation des paramètres d’entrée a été réalisée afin de contourner l’absence de données mesurées. L'hétérogénéité de la zone non saturée a un impact significatif sur la variation du flux vertical et la propagation du front d’humidité. Les résultats obtenus en 1D ont été spatialisés à l’échelle de la plaine avec l’objectif de quantifier l’ensemble des flux d’écoulements. L’originalité réside, d’une part, dans la détermination des conditions aux limites appliquées à la surface du sol à partir des hydrogrammes des crues enregistrés et, d’autre part, au modèle conceptuel limitant l’évaporation. Le modèle hydrodynamique a mis en évidence que le bilan hydrique est fortement excédentaire. Les simulations de l’écoulement ont montré que l’approche des épandages de crues au niveau des périmètres surestime la recharge artificielle de la nappe. / The aim of this study is to set up a 3D regional model to quantify water flux in unsaturated-saturated zones and the role of floods on the recharge process. Therefore, numerical flow simulations were conducted using the finite element Feflow that will be validated by measured data. A conceptualization of input parameters was carried out to overcome the absence of measured data. The heterogeneity of the vadose zone have a significant impact on the variation of the vertical flow, the residence time and the propagation of wetting front in the unsaturated zone. The results obtained in 1D were then used to quantify groundwater recharge of the entire area of the study site. The original approach is to derive the time-dependent hydraulic boundary condition of water level at the soil surface of the spreading perimeters by measured flood hydrographs and to develop a limited conceptual model of water uptake by evaporation. The hydrodynamic model showed that the water balance is very important. Flow simulations have shown that the perimeter flooding approach overestimates the artificial recharge of the aquifer.