Ce travail propose l’investigation d’une approche physique 0D/1D modélisant les brûleurs de turbines à gaz, prenant en compte l’évaporation du carburant, la turbulence, la combustion, et permet la représentation de zones de dilution et l’implémentation de modèles de chimie des polluants. Il s’agit de sous-modèles répartis dans des composants assemblables dans un environnement numérique multi-domaines basé sur le formalisme de Bond Graph. Ceci permet, par exemple, l’assemblage de plusieurs volumes ouverts en un tube à flamme, l’ajout d’un compresseur et d’une turbine, ou bien aussi d’intégrer des chaînes de commande afin de représenter un hélicoptère complet. L’originalité de cette thèse réside dans l’application d’un paradigme de combustion 0D, issu d’une approche 3D élaborée chez IFP Energies nouvelles et appliquée avec succès aux moteurs alternatifs ainsi qu’à des turbines à gaz. Le sous-modèle intègre le formalisme de flamme cohérente qui distingue une zone de gaz frais d’une zone de gaz brûlés. Les deux zones sont séparées par une flamme turbulente. Le sous-modèle de tube à flamme décrit la flamme grâce à une synthèse issue de résultats de calculs CFD 3D validés par des expériences. En effet, des résultats de calculs LES d’un brûleur expérimental monophasique ont étés analysés pour caractériser la combustion turbulente prémélangée dans un brûleur à tourbilloneur. Enfin, un secteur de brûleur réel de turbomoteur a été étudié à l’aide de simulations CFD afin d’évaluer la pertinence du modèle de tube à flamme 0D/1D et de guider la modélisation permettant de compléter la nouvelle approche de simulation système des turbines à gaz. / This work investigates a unique 0D/1D physical approach for gas turbine combustor modelling. It accounts for fuel evaporation, turbulence, combustion, and allows to represent dilution stages. Detailed pollutants formation models can also be added. The chosen formalism, based on the Bond Graph theory approach, allows to describe systems organised in a series of submodel components such as a series of open volumes forming a flame tube, or a combustor coupled to a compressor and turbine but they can also be combined with control and regulation devices in order to represent a complete rotorcraft. The essence of the PhD strategy is the application of a 0D combustion paradigm, obtained at IFP Energies nouvelles by formal reduction of 3D approaches for gas turbines. More in details, a new combustion model was developed integrating the Coherent Flame Model (CFM) formalism which allows to distinguish between fresh gases and burned gases separating them with a turbulent flame. The flame tube submodel features a physical description of the flame thanks to thorough understanding given by 3D CFD simulation results validated against experimental measurements. More specifically, LES results corresponding to a single phase test rig were analysed in order to characterise premixed turbulent combustion in a swirl burner. Finally, a real turboshaft combustor sector case was studied by means of CFD simulations to investigate the relevance of the 0D/1D flame tube model and to determine modelling strategies for the completion of the new gas turbine system simulation approach.

La présence de contraintes de plus en plus strictes sur les émissions de polluants on poussé les contruteurs vers l'injection directe essence (IDE), afin d'améliorer les performances et réduire la consommation de carburant et les émissions des moteurs à combustion interne. Par conséquent, de nouveaux défis sont introduits en termes d'optimisation de la combustion, en raison d'une plus complexe phénomenologie tandis que les modéles système demande des paramètres de calibration supplémentaires.Cette thèse présente le développement et la validation d'un modèle zéro-dimensionnel (0D) de combustion en IDE pour application en simulation système. Le modèle proposé détaille la physique de l'atomisation, et évaporation des gouttes, de la préparation du mélange air/carburant, de la propagation de flamme dans un mélange non-homogène ainsi que l'intéraction entre ces phénomènes.La phase liquide est discretisés en paquets groupant des gouttes de la même taille.Un modèle d'atomisation empirique basé sur la vitesse d'injection, les propriétés du carburant et les conditions thermodynamiques fournit les diamètres initiaux. Un modèle Lagrangien détaillant une dynamique de trainée/inértie, échange thermique et convection forcée décrit la pénétration liquide et l'evaporation des paquets. La formation du mélange air/carburant est décrite avec une PDF qui discretise la charge en un mécanisme de classes intéragissant les unes avec les autres et avec les paquets de gouttes. La propagation de flamme prend en compte les effets de l'hétérogéneité du mélange sur la vitesse de flamme et la formation des polluants.Le modèle proposé a été implémenté dans la plateforme Simcenter Amesim, dédiée á la modélisation de systémes multi-physiques, et intégrée dans le modèle de combustion essence CFM1D, de la librairie IFP-Engine.Des approche de modélisation de l'evaporation de carburant, de la dynamique de spray et de la formation du mélange, inspirés de la literature sur les moteurs Diesel, ont été adaptés aux conditions IDE.Le modèle a initialement été validé sur des mesures et des simulations RANS 3D réalisées avec le code IFP-C3D, d'une bombe d'injection à volume constant.Un vortex de tumble, dans un premier temps, et des variations rapides du voulume de la chambre ensuite, ont été ajoutés aux expériments numériques afin d'évaluer la réponse du modèle à l'aérodynamique dans la chambre de combustion et à des conditions thermodynamiques variables, en termes d'évaporation, développement du spray et distribution de la richesse. Des simulations d'injections dans un moteur entraîné,dont les résultats ont été comparés avec des mesures et des calculs CDF,complètent la validation du modèle avec à la fois des conditions thermodynamiques variable et de l'aérodynamique. / Future constraints on pollutant emissions pushed car manufacturers towards gasoline direct injection (GDI) technologies to improve engine performances and reduce fuel consumption and emissions. New challenges are then introduced in terms of combustion optimization due to a more complex phenomenology while system models require additional calibration parameters.This PhD work presents the development and validation of a Zero-Dimensional (0D) model of GDI combustion for system simulation. The proposed model focuses on physics of atomization and drop evaporation, fuel/air mixing, flame propagation in heterogeneous charge and mutual interaction between these phenomena.The liquid phase is discretized in parcels grouping drops of the same size. An empirical atomization model based on injection velocity, fuel characteristics and thermodynamic conditions provides initial diameters. A Lagrangian model including drag-inertia dynamics, heat-up and forced convection describes drop parcel penetration and evaporation. Fuel / air mixing is described using a discrete Probability Density Function (PDF) approach, based on constant-mixture-fraction classes interacting with each other and with the drop parcels. Flame propagation takes into account mixture heterogeneity effects on flame speed and pollutant production is modelled.The model was implemented in the Simcenter Amesim platform for multi-physical modelling and integrated in a generic Spark Ignition (SI) combustion chamber submodel, CFM1D, from the IFP-Engine library.Fuel evaporation, spray dynamics and mixture formation modelling approaches, inspired by literature on Diesel engines, were adapted to GDI operating conditions. The model was first validated on a constant-volume vessel with quiescent gas in different thermodynamic conditions by means of experiments and 3D RANS CFD simulations performed with IFP-C3D. A tumble vortex in a constant volume vessel, in a first time, and rapid variations of the vessel volume, in a second time, were then added to the numerical experiment in order to test the model response to in-cylinder flow aerodynamics and variable thermodynamic conditions, respectively, in terms of fuel evaporation, spray development and fuel/air mixing and equivalence ratio distribution. Computations of fuel injections in a motored engine complete the model validation campaign in variable thermodynamic conditions and with realistic aerodynamics and the results were compared to both experiments and CFD computations.

Il y a des nombreuses méthodes capables de produire des modèles numériques très précis des systèmes électromagnétiques. Si la précision demandée est très importante ou la nature du phénomène modélisé est très complexe, il faudra résoudre un nombre élevé d’équations. Si le modèle est utilisé dans des applications où de nombreux paramètres doit être prises en compte, comme c’est le cas de la conception optimale, la résolution de ces équations est souvent très couteuse.Pour éviter ce calcul, des algorithmes de réduction de modèle ont été développés. Il s’agit de procédures permettant de trouver des modèles réduits qui représentent la relation entrée/sortie du modèle fin de manière très précise mais en utilisant un nombre réduit d’équations.Dans cette thèse, les techniques de réduction de modèles sont analysées et améliorées. Une attention particulière est faite à la technique de correspondance des moments. Les problèmes de placement des points d’expansion, de stabilité et de précision sont plus particulièrement étudiés. Cela a permit la simulation et conception optimale de modèles électromagnétiques complexes qu’un jeu de bus bar et un problème de diffusion d’ondes.De plus, nous avons développé une méthode d'échantillonnage adaptatif. Des algorithmes classiques d’optimisation ont été couplés aux modèles réduits permettant l’accélération des calculs. Les méthodes proposées ont été testés dans des problèmes électromagnétiques obtenus par la méthode « Partial Equivalent Circuit Element (PEEC) ». / There are many available methods capable of producing High-Fidelity Models (HFM) of electromagnetic systems. If the required precision is very high or the nature of the phenomenon that is being modeled is complex, a very large number of equations may have to be solved. If the model is used for applications where many different geometries or parameters must be considered, as is the case in design optimization, solving these equations many times can be very time consuming.To avoid the burden of this computation, Model Order Reduction (MOR) algorithms have been developed. They consist in procedures of finding Reduced Order Models (ROMs) that accurately describe the input/output behavior of the High-Fidelity Model but using only a very small number of equations.In this work, MORs techniques are analyzed and improved. Special attention is paid to Moment Matching. Problems like placement of expansion points, stability and numerical robustness are investigated. This has allowed the simulation and optimization of complex electromagnetic device. As examples of application we have presented a laminates bus bar and a wave scattering problem.In addition to that, a smart adaptive way of sampling the design space to allow fast optimization has been developed. The sampled points are used to perform interpolation and approximate the objective function in a very fast manner. Classic optimization techniques have also been coupled with the Reduced Order Models, accelerating the computations. The proposed approaches have been tested mainly in electromagnetic problems obtained by the Partial Equivalent Circuit Element (PEEC) method.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l'exploitation des approches méthodologiques d'interopérabilité. Plusieurs solutions d'interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L'état de l'art dans ce secteur, met l'accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment "PREDIS", à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s'appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s'articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l'architecture logicielle autour de la plateforme d'interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées. Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l'exploitation des approches méthodologiques d'interopérabilité. Plusieurs solutions d'interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L'état de l'art dans ce secteur, met l'accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment "PREDIS", à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s'appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s'articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l'architecture logicielle autour de la plateforme d'interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant.

La réduction des émissions de dioxyde de carbone et de polluants réglementés (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules...) dans les moteurs à allumage commandé est possible via l'apport de nouvelles technologies comme le downsizing, l'injection directe, la suralimentation, etc... Toutefois, les gains apportés par ces technologies, qui complexifient grandement le groupe motopropulseur, sont réduits du fait qu'elles induisent aussi une augmentation de l'intensité de certains phénomènes tels que les variations cycliques de la combustion (VCC) ou les combustions anormales. La compréhension de ces phénomènes est une clé dans l'amélioration des futurs moteurs à essence. L'objectif principal de cette thèse est de permettre la modélisation des phénomènes transitoires et acycliques dans des moteurs à structure de plus en plus complexe grâce au développement, à la validation puis à l'application d'une méthode de couplage entre la simulation aux grandes échelles (SGE ou LES pour Large-Eddy Simulation en anglais) et la simulation système. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer qu'il est possible de simuler une configuration moteur et d'en étudier les comportements transitoires en 3D tout en prenant en compte la dynamique de tous les composants du moteur. Les simulations obtenues par cette approche pour le moteur du projet ANR SGEmac ont été comparées avec succès aux résultats expérimentaux et à des simulations tridimensionnelles : ces résultats constituent la dernière étape de validation du couplage et démontrent sa capacité à simuler des systèmes moteurs complets. Les codes couplés développés sont ensuite appliqués à l'étude des transitoires de charge et de régime pour le moteur du projet ANR ASTRIDE. La comparaison simulation/expérience montre que le solveur couplé permet bien de remplir les objectifs fixés de simulation des VCC et des transitoires. / The decrease of greenhouse gases and pollutant emissions (nitrous oxides, carbon oxides, particles...) for spark ignited engines goes through the development of new technologies such as direct injection, turbocharging, downsizing, etc. However, the benefits of these technologies, which complexify the engines, are limited by the phenomena they intensify such as Cyclic Combustion Variability (CCV) and abnormal combustions. A thorough understanding of these phenomena is a cornerstone for the improvement of future engines. The aim of this work is to predict acyclic and transient phenomena in increasingly complex engines through the development, the validation and the use of a coupling method between Large-Eddy Simulation (LES) and system simulation. This thesis has demonstrated that simulating a complete industrial engine in 3D with LES to study its transient behavior is possible. The methodology developed in the present work was used to study the engine of the national research agency project SGEmac and a good agreement was obtained between the experiments and the tridimensional simulations. These results are the last validation step of the coupling method and demonstrate the capacity of the coupled solver to simulate the whole engine. The coupling method is then applied to study engine load and regime transients for the national research agency project ASTRIDE. The comparison between simulations and experiments show that the coupled solver can simulate CCV and transients, thus fulfilling its initial goal.

Les contacteurs et les relais sont utilisés dans de très nombreux dispositifs pour le contrôleet la commande à distance. La plupart sont équipés d’actionneurs électromagnétiques qu’il est nécessairede produire en quantité importante pour réaliser ces fonctions. Les exigences environnementalessur l’efficacité et la consommation énergétiques sont de plus en plus contraignantes. La conception deces actionneurs est donc un enjeu important. Cette thèse porte sur le développement d’une plateforme deconception dédiée au pré-dimensionnement d’actionneurs électromagnétiques. Cette plateforme reposesur le développement de méthodes de modélisation très rapides et suffisamment précises. La premièrepartie est consacrée à la résolution des équations de la magnétostatique en linéaire et non-linéaire par lecouplage de la méthode des intégrales de frontières avec la méthode de réseaux de réluctances. L’évaluationdes grandeurs globales telles que le flux magnétique traversant une bobine et la force est étudiée.Les résultats sont validés sur un relais bistable en rotation. La seconde partie concerne la simulationmulti-physique du composant dans son environnement système, pour prendre en compte les aspects mécaniqueet électrique. Une étude de faisabilité par optimisation est réalisée pour le composant seul, puispour l’ensemble composant-système. Enfin, une ouverture sur une autre méthode de modélisation plusgénérale est proposée avec la présentation d’un couplage original et performant entre les méthodes deséléments finis et des intégrales de frontière. / Contactors and relays are used in many devices for monitoring and remote controlling. Mostof them are equipped with electromagnetic actuators, which are produced in large quantities. The environmentalrequirements on efficiency and energy consumption have become more and more strict. Thedesign of these actuators is therefore an important issue. This thesis focuses on the development of adesign platform dedicated to the pre-sizing of electromagnetic actuators. This platform is based on theimplementation of very fast and sufficiently accurate modeling methods. The first part is devoted to theresolution of linear and nonlinear magnetostatic equations by the coupling between boundary integralmethod and reluctance network method. The evaluation of global quantities such as the magnetic fluxflowing through a coil and the force is investigated. The results are validated on a rotating bistable relay.The second part concerns the multi-physics simulation of the component in its environment by takinginto account the mechanical and electrical aspects. A feasibility study by optimization is performed bothfor the component alone and for the whole component-system. Finally, a general modeling method isproposed with the presentation of an original and efficient coupling between the finite element methodsand boundary integrals.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l’exploitation des approches méthodologiques d’interopérabilité. Plusieurs solutions d’interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L’état de l’art dans ce secteur, met l’accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment «PREDIS», à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s’appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s’articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l’architecture logicielle autour de la plateforme d’interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant. / To better reduce its invoices, control its energy flows and respect various restrictions in this sector characterised by important consumption, the building becomes more and more complex including various innovative technologies such as Energy Management Systems (BEMS), efficient insulation and integrating renewable energies. This complexity requires a changing in building simulation techniques and paradigms in order to take into account its various developments. A global modelling of this system taking into account its various components and ensuring an efficient simulation of its heterogeneous subsystems must be performed.These objectives can only be achieved through the use of interoperability methodological approaches. Several interoperability solutions have been explored in the building sector and the state of the art make an accent on the standardization lack of applied solutions. A white box approach based on Modelica language has emerged in this area. To raise its interest and limitations, this solution is adopted for “PREDIS” system, a high energy performance building, modelling. A complementary black box approach, based on software component standard and dedicated for simulation is also applied to overcome the first approach difficulties. This approach is based on software component bus concept that is able to ensure an effective interoperability between modelling tools and simulation environments.In addition of the established software architecture around the platform interoperability, an efficient simulation of heterogeneous systems requires appropriate simulations techniques. These techniques may require several adaptations of used models that are provided by the component standard.

L'interférence entre stations de base est considérée comme le principal facteur limitant les performances des réseaux cellulaires. Nous nous intéressons aux différents schémas de coordination multi-point (CoMP) proposés dans la norme LTE-A pour y faire face, en tenant compte de l'aspect dynamique du trafic et de la mobilité des utilisateurs. Les résultats sont obtenus par l'analyse mathématique de modèles markoviens et par des simulations du système. Nous montrons l'importance de l'algorithme d'ordonnancement sur les performances en présence d'utilisateurs mobiles, pour des services de téléchargement de fichier et de streaming vidéo. Nous proposons un nouvel algorithme d'ordonnancement basé sur la dé-priorisation des utilisateurs mobiles se trouvant en bord de cellule, afin d'améliorer l'efficacité globale du système. Nous montrons ensuite qu'il est intéressant d'activer la technique dite Joint Processing uniquement dans un réseau à forte interférence, son activation dans un réseau à faible interférence pouvant conduire à une dégradation des performances. Nous proposons un nouveau mécanisme de coordination où une cellule ne coopère que lorsque sa coopération apporte un gain moyen de débit suffisant pour compenser les pertes de ressources engendrées. Nous considérons enfin la technique de formation de faisceaux coordonnée. Nous montrons notamment que la coordination n'est pas nécessaire lorsque l'on dispose d'un grand nombre d'antennes par station de base, un simple mécanisme d'ordonnancement opportuniste permettant d'obtenir des performances optimales. Pour un nombre limité d’antennes parstation de base, la coordination est nécessaire afin d’éviter l’interférence entre les faisceaux activés, et permet des gains de performance substantiels. / Interference is still the main limiting factor in cellular networks. We focus on the different coordinated multi-point schemes (CoMP) proposed in the LTE-A standard to cope with interference, taking into account the dynamic aspect of traffic and users’ mobility. The results are obtained by the analysis of Markov models and system-level simulations. We show the important impact of the scheduling strategy on the network performance in the presence of mobile users considering elastic traffic and video streaming. We propose a new scheduler that deprioritizes mobile users at the cell edge, in order to improve the overall system efficiency. We show that it is interesting to activate Joint Processing technique only in a high-interference network, its activation in a low-interference network may lead to performance degradation. We propose a new coordination mechanism, where a cell cooperates only when its cooperation brings a sufficient mean throughput gain, which compensates the extra resource consumption. Finally, we show that the coordination of beams is not necessary when a large number of antennas is deployed at each base station; a simple opportunistic scheduling strategy provides optimal performance. For a limited number of antennas per base station,coordination is necessary to avoid interference between the activated beams, allowing substantial performance gains.