Durch Multiskalensimulationen wird der Ladungstransport in nanodrahtbasierten Schottky-Barrieren-Feldeffekt-Transistoren im Materialsystem Ni2Si/Si untersucht. Die Bedingungen an die Genauigkeit der verwendeten Eingangsparameter werden bestimmt und Vorhersagen über optimale Material- und Geräteparameter werden getroffen. Es wird die Frage beantwortet, ob die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinie möglich ist. Der Feldeffekt wird durch Berechnungen auf Basis der Finiten-Elemente-Methode und die resultierenden Stromflüsse durch ein quantenmechanisches Transportmodell ermittelt. In der Untersuchung der geometrischen Eingangsparameter wird gezeigt, dass bis auf den Radius des Nanodrahtes die in einem Experiment zu erwartenden Messfehler keinen drastischen Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Signifikant ist hingegen der Einfluss der Temperatur, der effektiven Ladungsträgermassen und der Höhe der Schottky-Barriere. Da diese drei Eingangsparameter des betrachteten Systems mit relativ großen Ungenauigkeiten behaftet sind, ist die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien auf die erhoffte Weise nicht möglich. Die Arbeit zeigt auch, dass bereits moderate Veränderungen der Arbeitstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Für die Konstruktion von Transistoren mit hoher Stromdichte kann anhand der ermittelten Daten die Verkleinerung der aktiven Region durch Oxidation vorgeschlagen werden. / Charge transport in nanowire-based Schottky-barrier field-effect transistors in the material system Ni2Si/Si is examined by multi-scale simulations. The requirements for the accuracy of the input parameters are determined and predictions about optimum material and device parameters are made. The question is answered, whether the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is possible? The field effect is described by calculations based on the finite element method and the resulting currents are calculated with a quantum mechanical transport model. In the study of the geometric input parameters it is shown that experimental uncertainties do not drastically affect the current-voltage characteristic, except from the nanowire radius. However, significant is the influence of the temperature, the effective charge carrier mass and the height of the Schottky-barrier. Since these three input parameters are known only with low experimental accuracy for the considered system, the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is not possible in the expected way. The results also show that moderate changes of the working temperature have a significant influence on the current-voltage characteristic. For the construction of transistors with high current density the reduction of the active region by oxidation is proposed.

The complexity in multiscale systems design is significantly greater than in conventional systems because in addition to interactions between components, couplings between physical phenomena and scales are also important. This complexity amplifies two design challenges: a) complexity of coupled simulation models prohibits design space exploration, and b) unavailability of complete simulation models that capture all the interactions. Hence, the challenge in design of multiscale systems lies in managing this complexity and utilizing the available simulation models and information in an efficient manner to support effective decision-making. In order to address this challenge, our primary hypothesis is that the information and computational resources can be utilized in an efficient manner by designing design-processes (meta-design) along with the products. The primary hypothesis is embodied in this dissertation as a framework for integrated design of products and design processes. The framework consists of three components 1) a Robust Multiscale Design Exploration Method (RMS-DEM), 2) information-economics based metrics and methods for simplification of complex design processes and refinement of simulation models, and 3) an information modeling strategy for implementation of the theoretical framework into a computational environment. The framework is validated using the validation-square approach that consists of theoretical and empirical validation. Empirical validation of the framework is carried out using various examples including: pressure vessel design, datacenter cooling system design, linear cellular alloy design, and multifunctional energetic structural materials design. The contributions from this dissertation are categorized in three research domains: a) multiscale design methodology, b) materials design, and c) computer-based support for collaborative, simulation-based multiscale design. In the domain of design methodology, new methods and metrics are developed for integrating the design of products and design processes. The methods and metrics are applied in the field of materials design to develop design-processes and specifications for Multifunctional Energetic Structural Materials. In the domain of computer-based support for design, an information modeling strategy is developed to provide computational support for meta-design. Although the framework is developed in the context of multiscale systems it is equally applicable to design of any other complex system.

Chemo-mechanics studies the material behavior and phenomena at the interface of mechanics and chemistry. Material failures due to coupled chemo-mechanical effects are serious roadblocks in the development of renewable energy technologies. Among the sources of renewable energies for the mass market, hydrogen and lithium-ion battery are promising candidates due to their high efficiency and easiness of conversion into other types of energy. However, hydrogen will degrade material mechanical properties and lithium insertion can cause electrode failures in battery owing to their high mobilities and strong chemo-mechanical coupling effects. These problems seriously prevent the large-scale applications of these renewable energy sources. In this thesis, the atomistic and continuum modeling are performed to study the chemical-mechanical failures. The objective is to understand the hydrogen embrittlement of grain boundary engineered metals and the lithium insertion-induced fracture in alloy electrodes for lithium-ion batteries. Hydrogen in metallic containment systems such as high-pressure vessels and pipelines causes the degradation of their mechanical properties that can result in sudden catastrophic fracture. A wide range of hydrogen embrittlement phenomena was attributed to the loss of cohesion of interfaces (between grains, inclusion and matrix, or phases) due to interstitially dissolved hydrogen. Our modeling and simulation of hydrogen embrittlement will address the question of why susceptibility to hydrogen embrittlement in metallic materials can be markedly reduced by grain boundary engineering. Implications of our results for efficient hydrogen storage and transport at high pressures are discussed. Silicon is one of the most promising anode materials for Li-ion batteries (LIB) because of the highest known theoretical charge capacity. However, Si anodes often suffer from pulverization and capacity fading. This is caused by the large volume changes of Si (~300%) upon Li insertion/extraction close to the theoretical charging/discharging limit. In particular, large incompatible deformation between areas of different Li contents tends to initiate fracture, leading to electro-chemical-mechanical failures of Si electrodes. In order to understand the chemo-mechanical mechanisms, we begin with the study of basic fracture modes in pure silicon, and then study the diffusion induced deformation and fracture in lithiated Si. Results have implications for increasing battery capacity and reliability. To improve mechanical stability of LIB anode, failure mechanisms of silicon and coated tin-oxide nanowires have been studied at continuum level. It's shown that anisotropic diffusivity and anisotropic deformation play vital roles in lithiation process. Our predictions of fracture initiation and evolution are verified by in situ experiment observations. Due to the mechanical confinement of the coating layers, our study demonstrates that it is possible to simultaneously control the electrochemical reaction rate and the mechanical strain of the electrode materials through carbon or aluminum coating, which opens new avenues of designing better lithium ion batteries. This thesis addresses the nano-chemo-mechanical failure problems in two green energy-carrier systems toward improving the performance of Li-ion battery anode and hydrogen storage system. It provides an atomistic and continuum modeling framework for the study of chemo-mechanics of advanced materials such as nano-structured metals and alloys. The results help understand the chemical effects of impurities on the mechanical properties of host materials with different metallic and covalent bonding characteristics.

L'apprentissage machine (AM) est un outil important dans le domaine de la recherche d'information musicale (Music Information Retrieval ou MIR). De nombreuses tâches de MIR peuvent être résolues en entraînant un classifieur sur un ensemble de caractéristiques. Pour les tâches de MIR se basant sur l'audio musical, il est possible d'extraire de l'audio les caractéristiques pertinentes à l'aide de méthodes traitement de signal. Toutefois, certains aspects musicaux sont difficiles à extraire à l'aide de simples heuristiques. Afin d'obtenir des caractéristiques plus riches, il est possible d'utiliser l'AM pour apprendre une représentation musicale à partir de l'audio. Ces caractéristiques apprises permettent souvent d'améliorer la performance sur une tâche de MIR donnée. Afin d'apprendre des représentations musicales intéressantes, il est important de considérer les aspects particuliers à l'audio musical dans la conception des modèles d'apprentissage. Vu la structure temporelle et spectrale de l'audio musical, les représentations profondes et multiéchelles sont particulièrement bien conçues pour représenter la musique. Cette thèse porte sur l'apprentissage de représentations de l'audio musical. Des modèles profonds et multiéchelles améliorant l'état de l'art pour des tâches telles que la reconnaissance d'instrument, la reconnaissance de genre et l'étiquetage automatique y sont présentés. / Machine learning (ML) is an important tool in the field of music information retrieval (MIR). Many MIR tasks can be solved by training a classifier over a set of features. For MIR tasks based on music audio, it is possible to extract features from the audio with signal processing techniques. However, some musical aspects are hard to extract with simple heuristics. To obtain richer features, we can use ML to learn a representation from the audio. These learned features can often improve performance for a given MIR task. In order to learn interesting musical representations, it is important to consider the particular aspects of music audio when building learning models. Given the temporal and spectral structure of music audio, deep and multi-scale representations are particularly well suited to represent music. This thesis focuses on learning representations from music audio. Deep and multi-scale models that improve the state-of-the-art for tasks such as instrument recognition, genre recognition and automatic annotation are presented.

Les études de faisabilité concernant le stockage géologique profond des déchets radioactifs ont conduit un intérêt accru concernant la modélisation géomécanique de la roche hte. En France, une roche hte potentielle est l'argilite du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne. Etant donné que le principe de stockage géologique profond repose fortement sur la capacité de confinement de la formation hte, sa faible perméabilité est d'une importance clé. La perméabilité étant dépendante de la microstructure du matériau et de son évolution sous chargement, le comportement couplé hydro-mécanique de l'argilite est important. En effet, des modifications mécaniques sont induites par le creusement de la galerie d'entreposage, générant une zone endommagée (EDZ), pouvant conduire une modification de la perméabilité dans le voisinage de la galerie. Dans les matériaux microstructure complexe comme l'argilite du Callovo-Oxfordien, le comportement macroscopique trouve son origine dans l'interaction des constituants micro-mécaniques. En plus du couplage entre le comportement hydraulique et mécanique, un couplage entre les échelles micro et macro existe. Par le biais de l'élaboration d'un cadre d'homogénéisation du couplage hydro-mécanique, une approche de modélisation deuxéchelles est développée dans ce travail, dans laquelle la relation constitutive macroscopique découle directement du comportement à l'échelle microscopique. Un modèle existant du couplage hydro-mécanique, reposant sur l'identification de grains et d'espaces poreux intergranulaires à l'échelle micro est adopté comme point de départ. Ce modèle repose sur une homogénéisation numérique du comportement à la petite échelle afin d'obtenir à l'échelle macroscopique la réponse en contrainte et de transport du fluide interstitiel. Ce modèle est basé sur un VER périodique qui permet de déduire le comportement macroscopique local de l'argilite. En réponse, en un point d'intégration macro donné, à un incrément de la déformation et du gradient de pression, la réponse du VER permet d'exprimer l'incrément de contrainte et de flux associé, constituant de fait un équivalent numérique de la relation constitutive. Les problèmes aux conditions limites macro et micro sont traités simultanément par la méthode élément fini. Pour obtenir les opérateurs tangents consistants à l'échelle macro, la méthode d'homogénéisation par condensation statique des opérateurs tangeants micro est étendu au cas avec couplage hydro-mécanique. L'implémentation du modèle double échelle et la mise en uvre des développements théoriques d'homogénéisation ont été effectués dans le code élément fini Lagamine (Université de Liège). Pour la modélisation de la localisation de la déformation à l'échelle macro, qui, dans un formalisme de milieu continu classique, souffre de la dépendance au maillage, l'approche double-échelle a été utilisée dans un formalisme de milieu enrichi de type milieu de second gradient pour matériau poreux saturé. Les capacités du modèle homogénéisé numériquement, utilisé dans un cadre de milieu de second gradient, sont ensuite démontrées par des simulations d'essais dométriques et d'essais de compression biaxiaux. L'approche se confirme être un moyen puissant pour modéliser l'anisotropie initiale et induite du comportement mécanique et du comportement hydraulique. Pour la modélisation du comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien, des VER sont construits en tenant compte des travaux de caractérisation de la géométrie des inclusions microscopiques et des résultats expérimentaux d'essais macroscopiques.La loi de comportement homogénéisée numériquement ainsi calibrée est utilisée dans des simulations de creusement de galerie jusqu'à des niveaux d'endommagement générant une localisation de la déformation.Ces calculs montrent à la fois la pertinence et l'applicabilité du concept double échelle pour l'évaluation du comportement hydromécanique des EDZ dans un contexte du stockage des déchets radioactifs. / Feasibility studies for deep geological radioactive waste disposal facilities have led to an increased interest in the geomechanical modelling of its host rock. In France, a potential host rock is the Callovo-Oxfordian claystone. The low permeability of this material is of key importance, as the principal of deep geological disposal strongly relies on the sealing capacity of the host formation. The permeability being coupled to the mechanical material state, hydromechanical coupled behaviour of the claystone becomes important when mechanical alterations are induced by gallery excavation in the so-called excavation damaged zone (EDZ). In materials with microstructure such as the Callovo-Oxfordian claystone [Robinet et al., 2012], the macroscopic behaviour has its origin in the interaction of its mi- cromechanical constituents. In addition to the coupling between hydraulic and mech- anical behaviour, a coupling between the micro (material microstructure) and macro will be made. By means of the development of a framework of computational homo- genization for hydromechanical coupling, a doublescale modelling approach is formu- lated, for which the macroscale constitutive relations are derived from the microscale by homogenization. An existing model for the modelling of hydromechanical coupling based on the distinct definition of grains and intergranular pore space [Frey, 2010] is adopted and modified to enable the application of first order computational homogenization for obtaining macroscale stress and fluid transport responses. This model is used to constitute a periodic representative elementary volume (REV) that allows the rep- resentation of the local macroscopic behaviour of the claystone. As a response to deformation loading, the behaviour of the REV represents the numerical equivalent of a constitutive relation at the macroscale. For the required consistent tangent operators, the framework of computational homogenization by static condensation [Kouznetsova et al., 2001] is extended to hy- dromechanical coupling. The theoretical developments of this extension are imple- mented in the finite element code Lagamine (Li` ege) as an independent constitutive relation. For the modelling of localization of deformation, which in classical FE meth- ods suffers from the well-known mesh dependency, the doublescale approach of hy- dromechanical coupling is combined with a local second gradient model [Collin et al., 2006] to control the internal length scale of localized deformation. By accepting the periodic boundary conditions as a regularization of the microscale deformation, the use of the multiscale model in combination with the local second gradient model can be used for modelling localization phenomena in HM-coupled settings with material softening. The modelling capacities of the approach are demonstrated by means of simula- tions of oedometer tests and biaxial compression tests. The approach is demonstrated to be a powerful way to model anisotropy in the mechanical as well as the hydraulic behaviour of the material both in the initial material state and as an effect of hy- dromechanical alterations. For the application to the modelling of Callovo-Oxfordian claystone, microstructural REVs are calibrated to geometrical characteristics of the inclusion that form the microstructure under consideration and to macroscale ex- perimental results of the mechanical behaviour. The calibrated constitutive relation is used in the simulation of gallery excavation processes. These computations give a proof of concept of the doublescale assessment of the hydromechanical behaviour of the excavation damaged zones around galleries in the context of nuclear waste disposal.

Dans un contexte global de réduction des émissions de gaz à effet de serre, des solutions doivent être trouvées pour limiter les pollutions liées aux transports. Dans le domaine aéronautique, l’efficacité énergétique des avions peut être améliorée entre autres par l’utilisation de sources alternatives, comme les piles à combustible. Cette technologie est un dispositif électrochimique permettant de convertir le dihydrogène et le dioxygène en électricité, eau et chaleur. Néanmoins, le coût et la durée de vie de la pile sont des points faibles de cette technologie et doivent être améliorés.Dans le cadre d’une utilisation à bord d’un avion de ligne, l'analyse de la durabilité d'un système pile à combustible PEMFC est menée, en lien avec l'industriel Zodiac Aerospace. La prise en compte du vieillissement de la pile à combustible dans la gestion du système pile est essentielle pour limiter l’impact de conditions locales inappropriées du cœur de pile qui diminuent sa durée de vie. Dans ce travail, une étude complète est proposée pour corréler les mécanismes de vieillissement du cœur de pile (dégradation de la membrane, dissolution du catalyseur) aux conditions locales de la pile définies en partie par les performances des auxiliaires du système pile, le profil de puissance et les conditions environnementales du système. L'objectif est de prédire les performances de la pile et sa durée de vie afin de suggérer des stratégies d’optimisation pour l'application visée. L’approche proposée est basée sur la simulation numérique et validée par des essais de durabilité.Un modèle multi-physique existant au CEA est développé dans cette thèse pour corréler les usages aux mécanismes de dégradation. Une description physique de la pile à combustible est réalisée dans ce modèle, avec la prise en compte des réactions électrochimiques, des mécanismes de diffusion de l’eau et des gaz à l’échelle microscopique dans la pile, ainsi que de la thermique. Des améliorations y sont apportées, afin de mieux représenter la géométrie des plaques distributrices de gaz utilisées pour les essais. Un travail sur le circuit de refroidissement permet en outre d’affiner la distribution de température à la surface de la cellule. Enfin, l’ajout de mécanismes de dégradation est effectué pour modéliser le vieillissement de la pile. Pour cela, deux approches différentes sont couplées, l’une basée sur des équations physiques de l’électrochimie («Bottom-Up») et l’autre sur des lois semi-empiriques («Top-Down»).Les résultats de la modélisation sont confrontés à des essais expérimentaux dédiés. En particulier, deux tests de 2000 heures en conditions aéronautiques ont été effectués, avec deux régimes de fonctionnement différents (stabilisé et dynamique). Les méthodes usuelles de caractérisations électrochimiques (spectroscopie d’impédance, voltampérométries), des analyses post-mortem ainsi que des mesures locales de densité de courant et de température réalisées durant les essais aident à la validation des modèles.En particulier, les différentes mesures montrent que le modèle développé est capable de simuler la répartition hétérogène des conditions locales dans le cœur de pile en fonction des conditions opératoires (conditions asséchantes, humides, etc.). Il permet alors de calculer le comportement de paramètres internes de la pile non accessibles par l’expérience (humidités relatives, fractions molaires, etc.). De plus, le modèle permet de retrouver l’impact de différents modes opératoires sur le vieillissement, apportant également des informations sur les mécanismes de dégradation qui agissent sur les matériaux. Enfin, des stratégies d’optimisation sont proposées pour améliorer la durée de vie de la pile, basées sur le cycle réel envisagé par Zodiac Aerospace pour l’application de la pile à combustible à bord d’un avion de ligne (hors propulsion). / In a global context of greenhouse gases emissions reduction, solutions need to be found to limit the pollution from transportation. In the aeronautics, the energy efficiency of planes can be improved by using alternative energy sources, such as fuel cells. This technology is an electrochemical device that converts hydrogen into electricity, water and heat. Nevertheless, cost and lifetime of fuel cells are weaknesses of this technology and need to be improved.As part of the use onboard commercial airplanes, analysis of a PEM fuel cell system durability is conducted, in collaboration with Zodiac Aerospace. Taking the fuel cell aging into account in the fuel cell system management is essential to limit the impact of inappropriate fuel cell core local conditions, which decrease the fuel cell lifetime. In this work, a complete study is proposed to correlate the fuel cell internal aging mechanisms (membrane degradation, catalyst dissolution) to the fuel cell local conditions which are defined partly by the system ancillaries’ performances, the power profile and the system environmental conditions. The objective is to be able to predict the fuel cell operation and its durability in order to suggest optimization strategies for the targeted application. The proposed approach is based on modeling and validated by experimental durability tests.A multi-physical model existing at the CEA is developed in this PhD to correlate the uses to the degradation mechanisms. The physical description of the fuel cell is done in this model, where electrochemical reactions, fuel cell water and gas diffusion mechanisms at micro scale and heat transfers are taken into account. Improvements are added, in order to better model the geometry of the gases distributing plates used in the tests. Besides, a work on the cooling circuit enables to refine the temperature distribution at the cell surface. Finally, degradation mechanisms are added to model the fuel cell aging. Two different approaches are used, one based on physical electrochemical equations (“Bottom-Up”) and the other one based on semi-empirical laws (“Top-Down”).Results from the modeling part are compared with dedicated tests. In particular, two tests of 2,000 hours each in aeronautical conditions are performed, with two different operating modes (stabilized and dynamic). Usual methods of electrochemical characterization (impedance spectroscopy, voltammetries), post-mortem analyses along with in-situ measurements of the current density and temperature performed during the tests help validating the model.In particular, the measures show that the developed model is able to simulate the heterogeneous distribution of the local conditions inside the fuel cell in function of the operating conditions (dry, wet, etc.). It gives the possibility to monitor the behavior of fuel cell internal parameters which are not reachable by the tests (relative humidity, molar fractions, etc.). Moreover, the model enables to find back the impact of several operating regimes on the aging, giving as well information about the degradation mechanisms acting on the materials. Last but not least, strategies are proposed to improve the fuel cell durability, based on the real cycle considered by Zodiac Aerospace for the use of the fuel cell system onboard a commercial airplane (apart from the propulsion).

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons basse pression (E-PEMs) apparaissent comme une solution efficace et durable pour la production d’hydrogène. Cette technologie pourrait permettre de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (notamment solaire et éolien) en convertissant l’énergie électrique produite en énergie chimique (hydrogène). Durant ces travaux de thèse, trois aspects ont été développés : une approche analytique, une approche numérique, ainsi que approche expérimentale. Ces trois approches ont permis de comprendre l’influence du mélange bi-phasique eau/oxygène à l’anode du système sur les performances électrochimiques des E-PEMS ainsi que déterminer les paramètres opérationnels et intrinsèques qui impactent les performances des E-PEMs. À propos de l'approche expérimentale, des mesures d'impédance électrochimique ainsi que des courbes de polarisation ont été réalisées sur deux différentes cellules d'électrolyseurs de type PEM basse pression (la cellule ITW power de l'Electrochimical innovation Lab (UCL) et la cellule réversible Q-URFC du Laboratoire d'Énergétique, d'Électronique et Procédés (LE2P). À propos de la modélisation numérique, Le modèle expérimentale conjugue une approche multi-échelle macroscopique 2D et mésoscopique 1D. Ce modèle prend en compte le transfert de matière, le transfert de chaleur, les réactions électrochimiques anodique et cathodique et le transfert de charges présents dans le cœur des E-PEMs. D’un point de vue mésoscopique, une attention particulière a été portée sur l’influence des régimes bi-phasiques anodiques (régime de bulles coalescées (BC régime) et régime de bulles non coalescées (NCB régime) sur le transfert de matière à l’anode et sur l’humidification de la membrane. Ces travaux démontrent et confirment l’hypothèse que la transition du NCB régime vers le CB régime augmente le transfert de matière anodique, diminue la résistance ohmique de la membrane et améliore l’efficacité des E-PEMs. À propos de la modèle analytique, l’étude analytique explore une approche adimensionnelle de l'assemblage membrane électrode (AME) en régime stationnaire et isotherme. À l’échelle locale, en 1D, les équations prises en compte sont la conservation du courant dans l’AME, les réactions électrochimiques au sein des couches actives et le transfert de matière à travers la membrane. La résolution a permis d’obtenir des expressions analytiques des surtensions aux électrodes, de la chute ohmique et de la teneur en eau dans la membrane. L’approche adimensionnelle a permis de quantifier analytiquement les sources d’irréversibilités (chute ohmique, surtensions d’activations anodique et cathodique, et de la surtension induite par le bouchonnement des canaux anodiques) respectivement pour les faibles densités de courant, les moyennes densités de courant et les hautes densités de courant. En outre, ce modèle analytique peut être implémenté dans une boucle de contrôle commande. Ces travaux de thèse proposent une contribution à la compréhension du fonctionnement des E-PEMs basse pression en général, et en particulier de l'impact des régimes bi-phasiques sur leurs performances électro-chimiques. / Based on proton conduction of polymeric electrolyte membrane (PEM) technology, the water electrolysis (PEMWE) offers an interesting solution for efficiency hydrogen production. During the electrolysis process of water in PEMWE, the anodic side is the place where the water is splitting into oxygen, protons and electrons. The aim of this study is to recognize the link between two-phase flows (anode side) and cell performance under low pressure conditions. We have developed three approaches: the analytical approach and the numerical approach validated by the experimental data. For the numerical model, we have developed a two-dimensional stationary PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer (bubbly flow), heat transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). In order to take into account the changing electrical behavior, our model combines two scales of descriptions: at microscale within anodic active layer and MEA scale. The water management at both scales is strongly linked to the slug flow regime or the bubbly flow regime. Therefore, water content close to active surface areas depends on two-phase flow regimes. Our simulation results demonstrate that the transition from bubble to slug flow in the channel is associated with improvement in mass transport, a reduction of the ohmic resistance and an enhancement of the PEMWE efficiency. Regarding the analytical model, we have developed a one-dimensional stationary isothermal PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). The analytical approach permit to obtain mathematical solution of the activation overpotential, the ohmic losses and the bubbles overpotential respectively for the low current density, the middle current density and the high current density. This approach quantify the total overpotential of the cell, function of the operational and intrinsic numbers. In terms of perspective, the analytical model could be used for the diagnostic of the electrolyzer PEM.

L’estimation de la charge d’un satellite et du risque de décharge nécessite dans certains cas la prise en compte dans les modèles numériques d’échelles spatiales très différentes. En particulier, les interconnecteurs présents à la surface des générateurs solaires d’un satellite sont susceptibles de modifier son équilibre électrostatique lors de missions spatiales rencontrant un environnement plasma dense. Une modélisation classique de cet effet nécessiterait le maillage d’éléments à des échelles submillimétriques,sur un satellite de plusieurs dizaines de mètres d’envergure, ce qui rendrait la simulation extrêmement onéreuse en temps de calcul. De plus, ces interconnecteurs sont parfois fortement chargés positivement par rapport à l’environnement, ce qui empêche l’application du modèle de Maxwell-Boltzmann classiquement utilisé pour les populations d’électrons. Dans une première partie, nous avons développé une méthode itérative de type Patch adaptée à la résolution du problème non-linéaire de Poisson-Boltzmann pour la simulation du plasma spatial. Cette méthode numérique multigrille permet la simulation de l’impact d’éléments de petite taille à la surface d’un satellite complet. Dans une seconde partie, nous avons développé un schéma correctif permettant d’utiliser le modèle de Maxwell-Boltzmann pour la population d’électrons, malgré la présence de surfaces satellites chargées positivement, en y ajoutant un terme de correction calculé à l’aide de la méthode Particle-in-Cell. Nous avons montré que ce schéma permet, tout en limitant le coût en calculs, de déterminer avec précision les courants collectés par les surfaces du satellites, qu’elles soient chargées négativement ou positivement. / The numerical simulation of spacecraft charging can require to resolve widely different geometrical scales. In particular, solar array interconnects on the surface of solar panels have a major impact ona satellite electrostatic equilibrium. A classical model of this effect would require a mesh refined tosub-millimetre scales, on a spacecraft spanning several dozen metres, which would make the simulation computationally expensive. Moreover, the solar array interconnects can have a large positive potentialrelative to the space plasma, preventing the use of the classical Maxwell-Boltzmann model for theelectrons in the plasma. In a first part, we have developed an iterative patch method to solve thenonlinear Poisson-Boltzmann equation used in plasma simulations. This multigrid numerical scheme allows to resolve the impact of small-scale components on the surface of a complete spacecraft. In asecond part, we have developed a corrective scheme for the Maxwell-Boltzmann model to account for the presence of charged surfaces in the simulation. We have shown that this simple model is able to precisely compute the currents collected by the spacecraft surfaces.

La Corrosion Haute Température (HTC), en environnements divers et sévères, d'alliages métalliques toujours plus élaborés en termes de composition et micro-structure, est un sujet industriel et scientifique très complexe. La PhotoElectroChimie (PEC) est une technique de choix pour caractériser les propriétés physico-chimiques et électroniques des couches d'oxydation très hétérogènes formées en HTC. Sur des exemples d'alliages modèles mais représentatifs de la réalité industrielle (aciers duplex, base-Nickel 690), ce travail présente le développement et la validation d'un dispositif expérimental permettant d'appliquer pour la première fois tout l'arsenal des techniques PEC à l'échelle mésoscopique (typiquement 30 µm), ainsi que la validation d'une modélisation originale développée au SIMaP des spectres de photocourants en énergie, qui permet de les décrire et ajuster finement et d'en extraire notamment avec précision les gaps des oxydes semiconducteurs présents dans la couche thermique. / High Temperature Corrosion (HTC), in various and severe atmospheres, of continually more elaborated (composition, micro–structure) metallic alloys, is a rather complex industrial and scientific topic. PhotoElectroChemistry (PEC) acquired a special place in the characterization of physico–chemical and electronic properties of the highly heterogeneous oxidation layers formed in HTC. Through studies of model but industrially representative samples (duplex stainless steel, Ni–base alloy 690), this work presents the development and validation of an experimental set–up allowing for the first time to use the whole set of PEC techniques at the mesoscopic level (typically 30 µm), as well as the validation of an original model of photocurrent energy spectra, developed at SIMaP, allowing to well describe, and accurately fit the latter spectra, and thus yielding, notably, precise bandgap values for the semiconducting components of the thermal scale.

L’objectif général de la thèse est de contribuer à l’amélioration de nos connaissances sur les métamorphoses de la neige sèche et sur sa description physique, à l’échelle microscopique (grains de glace et pores) et macroscopique (couche de neige). Dans un premier temps,la méthode d’homogénéisation basée sur les développements asymptotiques à échelles multiples est appliquée à la physique des métamorphoses de la neige sèche. On présente ainsi les descriptions macroscopiques équivalentes du transport de vapeur et de chaleur dérivées à partir de la description de la physique à micro-échelle. On considère à l’échelle des grains la diffusion, la conduction, et la convection forcée, couplées aux changements de phase (sublimation et déposition). Dans un second temps, les propriétés effectives de transport impliquées dans les descriptions macroscopiques (conductivité thermique effective, coefficient effectif de diffusion de vapeur et perméabilité intrinsèque) sont estimées à l’aide d’images 3D de neige couvrant toute la gamme de masse volumique et de types de neige. Enfin, on s’intéresse au suivi temporel des métamorphoses. Les liens entre la microstructure et les propriétés effectives d’une couche de neige sont mis en évidence au cours d’une métamorphose de gradient de température en utilisant des images 3D.On présente ensuite une cellule cryogénique que nous avons mise au point pour le suivi grains à grains par tomographie des évolutions d’un échantillon de neige au cours des métamorphoses, et qui s’utilise à température ambiante. / The main objective of the thesis is to improve our knowledge about dry snow metamorphismand its physical description, at the microscopic (ice grains and pores) andmacroscopic (snow layer) scales. First, the homogenization method of multiple scaleexpansions is applied for the first time to the physics involved in dry snow metamorphism.This way, we present the equivalent macroscopic descriptions of heat and vaportransfers derived from the physical description at micro-scale. We consider at the grainscale diffusion, conduction, and forced convection, coupled to phase changes (sublimationand deposition). Second, the effective properties of transport arising in the macroscopicdescriptions (effective thermal conductivity, effective coefficient of vapor diffusion, andintrinsic permeability) are estimated from 3D images of snow spanning the whole range ofdensity and snow types. Finally, the monitoring of metamorphism with time is considered.The relationship between the microstructure and the effective properties of a snow layerare investigated during temperature gradient metamorphism using 3D images. We presentthen a new cryogenic cell that we developed to monitor the grain to grain evolution of asnow sample by time-lapse tomography during the metamorphism, and which operates atroom temperature.