Dissertations / Theses on the topic 'Turbines hydrauliques – Modèles mathématiques'

Ce mémoire a comme objectif de prédire les performances d’une turbine modèle de type bulbe à l’aide de simulations numériques RANS k-ε. Tout d’abord, par des simulations numériques, on valide les éléments de la méthodologie les plus susceptibles d’influencer la qualité des résultats. Par la suite, on obtient la colline de rendement numérique et on analyse l’effet du jeu de bout d’aube ainsi que des jeux au moyeu sur la prédiction de performance. Les résultats indiquent que la colline de rendement numérique se compare bien à la littérature portant sur les turbines bulbes. On montre, de plus, que tenir compte du jeu de bout d’aube dans la simulation numérique diminue de manière significative le rendement prédit. L’impact des jeux au moyeu est cependant négligeable sur la prédiction de performance de la turbine. Finalement, une modification de l’aspirateur est proposée pour la suite du projet entrepris par le consortium de recherche.

Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée.
The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

Ce travail de maitrise s’inscrit dans le cadre des activités de recherche du Laboratoire de Machines Hydraulique de l’Université Laval et a pour objectif la caractérisation de l’écoulement dans le canal d’entrée d’un modèle de turbine hydraulique de type bulbe. La représentation des champs de vitesses moyennes et des fluctuations sous différentes conditions d’opérations ont été obtenues en utilisant un système de mesure LDV. Un débalancement du débit et des structures tourbillonnaires dans le canal d’entrée ont été mises en évidence. La conception d’une géométrie d’obstacle provoquant une non-uniformité dans le canal d’entrée a été développée en tenant compte des prédictions de simulations numériques. Des simulations numériques de la machine complète en régime stationnaire et instationnaire selon deux configurations géométriques ont été menées pour déterminer l’influence des conditions d’entrée de l’écoulement sur les performances de la machine. Des comparaisons entre les quantités expérimentales et numériques ont été réalisées.
This work is part of the research activities of the Hydraulic Machines Laboratory of the Laval University and its objective is to contribute to the characterisation of the intake flow in a model of a bulb turbine. The representation of the mean velocity fields and the turbulent fluctuations under predefined operating conditions were obtained by the use of a LDV measurement system. Mass-flow imbalance and vortices in the intake channel were identified. The conception of an obstacle geometry causing a non-uniformity in the intake channel has been developed taking in consideration the predictions of numerical simulation. Numerical simulations of the complete machine for both steady and unsteady case were performed with and without obstacle in the intake channel. The objective of this process was to evaluate the influence of the intake flow condition on the turbine performances. Moreover, comparisons between experimental and numerical quantities were made.

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l'aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d'opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l'efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l'entrée de l’aspirateur ont été explorés à l'aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d'énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l'écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales.
Draft tubes play a crucial role in elevating the available energy extraction of hydroturbines. In this project, turbulent flows in the draft tube of a low-head bulb turbine were simulated using, among others, an advance hybrid LES/RANS turbulent model, called DDES, which can resolve portions of the turbulent spectrum. Providing appropriate inflow boundary conditions for such models is a challenging issue. In this regard, different inflow boundary conditions were tested, including axisymmetric 1D profiles, and unsteady 2D inflow profiles that take runner blade wakes and vortices into account. Artificial fluctuation at the inlet section of the draft tube was also included to mimic the turbulence existing after the runner. Simulations were conducted for two draft tube configurations of the BulbT project. For one of them, intensive comparisons with experimental data were done for two operating conditions, one at part load and another in the sharp drop-off portion of the efficiency hill after the best efficiency point. This allowed to assess the effectiveness and shortcomings of the adopted turbulence modeling and boundary conditions through their effects on the global and local quantities. The results showed that the runner-related vortical structures and wakes are appropriately resolved using stand-alone DDES simulation of the draft tube flows. This is achieved by applying unsteady 2D inflow profiles along with adopting low dissipation scheme for the convective term. Furthermore, the effects of applying artificial turbulence at inlet were explored using separation intermittency, two-point correlation, energy spectrum and Lagrangian coherent structure concepts. These analyses revealed that the type of inflow boundary conditions modifies the details of the flow and separation dynamics as well as patterns of the transport barriers in different regions of the draft tube. However, the global quantities such as recovery coefficient are not influenced by these local features.

L'objectif de cette etude est d'apporter une meilleure connaissance hydrodynamique et energetique de l'ecoulement turbulent et tridimensionnel genere par une turbine de rushton en cuve agitee munie de quatre chicanes verticales. Le probleme est aborde numeriquement. Deux codes de calcul: un bidimensionnel (2d) et un tridimensionnel (3d), fondes sur la resolution des equations locales de navier-stokes en regime turbulent, ont ete developpes. La turbulence est schematisee par un modele a deux equations de transport du type (k, epsilon). La resolution des equations est effectuee en variables premieres (vitesse, pression) par la methode des volumes finis. Des formulations originales concernant la discretisation des termes de production de la turbulence et des fonctions de parois ont ete introduites dans les codes afin de statisfaire numeriquement le bilan de l'energie totale. Les simulations effectuees se font a partir des conditions d'entree experimentales imposees explicitement au niveau de l'agitateur. L'analyse des resultats confirme la superiorite du code 3d developpe sans aucune simplification concernant la physique du probleme ou de la configuration geometrique etudiee. Cela apparait comme le seul moyen capable de prendre en consideration l'effet fortement tridimensionnel de l'ecoulement, induit par la presence des chicanes dans la cuve. Les informations obtenues sont tres completes tant qu'a l'echelle des structures locales des ecoulements qu'a celles des caracteristiques globales de l'agitation. Ces resultats concernent essentiellement les champs des vitesses moyennes, l'energie de turbulence, la dissipation visqueuse, les contraintes de reynolds, la longueur de melange et la viscosite effective. La comparaison avec les resultats experimentaux est satisfaisante

L'intégration des énergies renouvelable à l'échelle du réseau provoque de nouveaux paradigmes : la première et plus importante modification provient du fait que la puissance électrique produite n'est plus maîtrisée mais dépendante de l'incontinence des sources renouvelables. Cette irrégularité de la production par rapport à la consommation nécessite le stockage de l'énergie lorsqu'elle est produite afin de la mettre à disposition pour plus tard. Les sites de transfert d'énergie par pompage (STEP), ou centrales de turbinage-pompage, sont, par leur vitesse d'action, capacité de stockage et aspect respectueux de l'environnement, les principaux organes capable de satisfaire cette demande grandissante en stockage d'énergie à l'échelle du réseau.Durant cette thèse, le problème de modélisation et d'asservissement des régimes transitoires de ces sites est considéré du point de vue du groupe turbine : soit une turbine au sein d'un circuit hydraulique, quel est son comportement dynamique, et quelle méthode de contrôle permet d'assurer les meilleurs performances possibles du point de vue du temps de réponse et de la stabilité.Le manuscrit s'articule alors autour de quatre chapitres : le premier a pour but d'introduire plus finement les problématiques ainsi que la dynamique de ces sites. Le deuxième chapitre présente une méthode originale basée sur une étude graphique d'une modélisation simplifiée du système de turbinage au sein d'une conduite linéaire à section constante. Cette partie permet d'établir le temps minimum d'action de ces centrales de façon dépendante des performances de l'actionneur et de la topologie du site. Le troisième chapitre contient la principale contribution de ces travaux en terme de régulation d'un site de turbinage pompage : on y propose une régulation linéaire du circuit hydraulique dans lequel se fait l'écoulement de l'eau à travers l'utilisation d'un actionneur non-linéaire : la turbine. Enfin, afin de traiter des séquences particulière, le quatrième et dernier chapitre propose d'établir des trajectoires compatibles avec la dynamique et les contraintes issues de l'usage d'une turbine. Les trajectoires alors calculées permettent une plus grande maîtrise des phénomènes grâce à l'usage d'une fonction d'optimisation bien choisie et d'un retour d'état prédictif à horizon fini
The integration of renewables at the scale of the network causes new paradigms: the first and most important change is the fact that the electrical power is no longer under control but dependent of the incontinence of renewable sources. This irregularity of production over consumption requires the storage of energy when it is produced to make it available for later. Pump storage plant (PSP) or turbine-pump equiped plants, are by their speed of action, storage capacity and environmentally respectful aspect, the main organs able to satisfy this growing demand energy storage across the network.During this thesis, the modeling problem and enslavement of transients of these sites is considered from the perspective of the turbine group: given a turbine in a hydraulic circuit, what is its dynamic behavior, and what control method ensures the best performances from the standpoint of the response time and stability.The manuscript is then structured around four chapters: the first, aims to introduce more finely issues and a mathematical representation of th dynamic of these sites. The second chapter presents an original method based on a graphic study of a simplified model of the turbine system placed along a linear and constant section penstock. This section establishes the minimum time of action of these plants dependently of the actuator performance and topology of the site. The third chapter contains the main contribution of this work in terms of regulation of a pump storage site: it proposes a linear regulation of the hydraulic circuit in which is the flow of water through the use of a non-linear actuator: the turbine. Finally, to address particular sequences, the fourth and final chapter proposes establishing trajectories compatible with the dynamics and constraints resulting from the use of a turbine. Then the computed trajectories allow greater control of the phenomena through the use of a well chosen optimization function and a predictive with finite horizon state feedback

Les travaux présentés portent sur l'étude du power take off d'un système houlomoteur. Celui-ci est constitué d'un ensemble de bassins connectés entre eux via des clapets souples assurant une circulation à sens unique. Les mouvements de la plate-forme sur laquelle le système est installé induisent un phénomène de ballottement du fluide présent dans ces bassins. Les vagues ainsi générées viennent alors alimenter une cuve cylindrique dont le fond est percé d'un orifice central. Le fluide injecté dans ce réservoir engendre un écoulement de type tourbillon de vidange, dont l’énergie cinétique est extraite par une turbine à axe vertical. La première phase de ces travaux se concentre sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement stationnaire. L'évolution du champ de vitesse dans le bassin, avec et sans turbine, est étudié par particle image velocimetry (PIV). En parallèle, la puissance délivrée par la turbine et la hauteur d'eau dans le bassin sont mesurées. Ces résultats sont utilisés pour définir les hypothèses de départ pour la création d'un modèle numérique. La deuxième phase de ces travaux porte sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement instationnaire. Un second dispositif de mesure est spécialement construit et instrumenté. Ce dernier permet de modéliser plus fidèlement l'écoulement rencontré dans le système houlomoteur. La méthode PIV est de nouveau utilisée. La dernière phase des travaux porte sur la modélisation numérique de la turbine à axe vertical. Le modèle développé se fonde sur la théorie des écoulements potentiels et prend en compte les effets 3D. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux
The present work aims at studying the power take-off of a wave energy converter (WEC). This system is composed of a set of connected tanks. Rubber flaps are installed at tanks inlet and outlet to ensure a one-way flow direction. Thanks to wave induced motions of the supporting platform, sloshing appears inside the WEC tanks which feed a cylindrical basin with a centered drain hole at its bottom. Then, a bathtub vortex flow appears within this tank, where a vertical axis turbine is installed to harvest kinetic energy from the flow. The first phase of this research focuses on studying the steady bathtub flow. To do so, a dedicated experiment is built. Velocity field within the cylindrical basin, with and without the turbine, is studied via Particle Image Velocimetry (PIV). In addition, power production from the turbine and water level inside the tank are measured. These results are used to define starting hypothesis for developing a numerical model of the turbine. The second phase of this research focuses on studying the unsteady bathtub flow. For this purpose, a second experiment is built. This setup provides a more realistic environment, closer to what can be observed with the WEC system. PIV measurements are also used extensively to study the flow with and without the turbine. The last stage of this research focuses on the numerical modelling of the vertical axis turbine. The model is based on the potential flow theory. First, a two-dimensional approach is used to validate the early pieces of the model. Secondly, a three-dimensional approach is adopted to account for more complex flow features. Finally, numerical and experiment results are compared

L’optimisation des réseaux d’eau potable répond aux trois grandes questions sensibles que sont la qualité de l’eau du réseau, l’énergie de pompage et le coût d’investissement. La géométrie globale du réseau et la distribution des diamètres et des longueurs jouent un grand rôle dans cette optimisation. Cette thèse, basée sur une approche originale, alliant la quantité à la qualité, a utilisé l’approche d’optimisation géométrique multi-échelle et multicritère appelée l’approche constructale, pour l’optimisation de ces réseaux. Elle a permis de démontrer qu’il existe des configurations de réseaux, qui minimisent les pertes de charge et qui en même temps ont une bonne influence sur le temps de séjour de l’eau du réseau, montrant ainsi une bonne valeur ajoutée sur le plan de l’économie d’énergie de pompage et de la gestion de la qualité de l’eau du réseau. Une étude comparative avec les résultats des méthodes classiques a permis de consolider les résultats de cette étude
The optimization of water distribution network involves the three sensible following questions: water quality management, pumping energy and the investment cost. The geometry of the distribution network and the laws that distribute pipes diameters and pipes lengths influence strongly the effectiveness of such systems. In this thesis, an original approach relating quality to quantity and based on the geometric, multi-scale and multi-criteria optimization called constructal design was used to optimize these systems. It permitted to demonstrate that there are some optimal water network configurations that minimize the total head losses and by the same moment have better operating residence time. This is an added value as far as energy saving and optimal water quality management are concerned. A comparison with former methods enabled to reinforce the effectiveness of results developed in the present work

Ce travail de recherche a pour objectif de caractériser les pièces de la roue et de la trompette d’une turbine bulbe à partir d’un modèle réel. Suite à la reconstruction du modèle numérisé de la roue, cette géométrie sert de base pour le développement d’une aube instrumentée pour des mesures de pression. Un appareil de mesure laser sans contact est utilisé conjointement avec un bras de mesure portable de précision afin de récupérer les géométries du modèle sous forme de nuages de points. Ils sont ensuite traités dans un modeleur 3D afin d’obtenir la géométrie numérisée. Des analyses de déviations sont effectuées pour valider les modèles informatiques, quantifier les déviations et le respect de la norme CEI60193 par la roue. Une aube de roue instrumentée avec capteurs de pression embarqués est finalement développée pour investiguer les fluctuations de pression sur la roue en régime permanent et transitoire.
This research work deals with the geometry recovery of the runner and the draft tube of a bulb turbine, based on the real scale model. Once the geometry recovery of the runner completed, this computerized geometry allows to design an instrumented blade with embedded pressure sensors. A non-contact laser scanner on a precision measuring arm is used to create precise and detailed point clouds of the runner and draft tube geometries. Then, these point clouds are processed in a computer-aided design (CAD) software, in order to achieve a precise computerized geometry of the model. Deviation analyses allow to quantify the deviations so as to validate the CAD geometries and the IEC60193 standard agreement for the runner. Finally, a new instrumented blade with thirty embedded pressure sensors is developed so as to investigate pressure fluctuations in the runner in constant and transient operating conditions.

Cette thèse a pour objectif de quantifier les potentialités pour laminer les crues de trois aménagements, augmentation de rugosité en lit majeur, diguettes transversales et retenues sèches. Des indicateurs quantifiant l'écrêtement, le retard du pic et le volume stocké permettent de caractériser objectivement ces effets. Nous avons mis en évidence le rôle clef de la capacité de stockage du lit majeur, donc sa largeur et sa pente longitudinale. De nombreuses simulations hydrauliques, monodimensionnelles et bidimensionnelles, ont été conduites sur des canaux fictifs. Les résultats permettent d'estimer correctement les ordres de grandeur dans un cas réel, la rivière Hogneau (Nord). L'utilisation d'un modèle 1D apparaît suffisante sauf quand la modification des champs de vitesse peut faire craindre des problèmes de sédimentation et d'érosion.

Compte-tenu de la complexité des systèmes industriels actuels et des progrès en calcul scientifique, les codes utilisés pour modéliser des phénomènes physiques en ingénierie nucléaire sont souvent coûteux en temps. Il est cependant nécessaire de réaliser des analyses statistiques sur certains événements, et ces analyses demandent de multiples applications du code pour être précises. C'est pourquoi le temps de simulation doit être réduit, en modélisant le code de calcul par une fonction de coût CPU négligeable. Cette modélisation s'effectue sur la base d'un échantillon de quelques centaines de résultats de calculs physiques. Ce travail s'inscrit dans le cadre relativement peu étudié des codes de calcul à réponses fonctionnelles 1D. Ces dernières modélisent l'évolution de paramètres physiques dans le temps, pour un état initial. Différents types d'évolution peuvent se dégager ; c'est pourquoi les (entrées-)sorties sont d'abord divisées en K groupes, une méthode basée sur l'erreur de classification supervisée permettant de sélectionner ce dernier nombre automatiquement. Afin de contourner la difficulté liée aux réponses fonctionnelles, l'idée principale consiste à représenter ces dernières en dimension réduite pour effectuer la régression dans le cadre vectoriel. Pour cela nous proposons une alternative non linéaire à la décomposition sur une base, accompagnée de sa justification théorique. Nous montrons que l'application ainsi construite permet d'approximer une large classe de codes, et est complémentaire de l'approche classique (utilisant une base de fonctions) sur les jeux de données CEA.

Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion.
In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.

Developments performed during the last decades in the domain of hydraulic and transport properties modeling of fractured media have been mainly motivated by the current problematic about nuclear repositories safety. The understanding of the complex hydraulic behavior of fractured media is tackled here through a direct representation of the fracture network geometry and through a discrete stochastic modeling process. In that context, our work is focused on the notion of spatial correlations. Firstly spatial correlations are identified. Then a model of discrete fracture network is developed and finally the consequences of spatial correlations on hydraulic properties of fractured media are determined. Natural fracture patterns often display an heterogeneous spatial density distribution which can be characterized by a fractal dimension D. In addition we show that fracture lengths and positions are also organized such that around each fracture there exists on average a shield (empty of other fractures) whose area is correlated to the fracture length. A stereological analysis shows that the fractal dimension of a 3D fracture pattern is simply related to the apparent fractal dimension measured on a lower dimensional sample of the fracture network. The model of fracture network considered is fractal (D) and its fracture length distribution is a power law (a). For 2D fracture networks, the type of global behavior depends on the relative values of a and D. Indeed, a strong fractal correlation (D low) induces a decrease of the global network connectivity when the observation scale increases. On the contrary, a decrease of a induces an increase of the connectivity with scale. When a=D+1 (self-similar case), both effects exactly compensate and the connection state is independent of the observation scale. In that case, we show that, although the flow remains channeled at high densities as long as D<2, the evolution of the permeability with scale is weakly dependent on D. At last, we show that the fractal dimension associated with 2D fracture networks tends to decrease the connectivity with increasing scale. When the deconnexion effect is compensated by the length distribution, the evolution of the permeability with scale is weakly sensible to variations of D, although flow is channeled. On the contrary we expect a stronger influence of the parameter D on the transport properties.

En phase d’avant-projet d’une turbine à gaz, les outils de calcul des performances transitoires doivent aujourd’hui intégrer une représentation simple et générique de phénomènes multi physiques instationnaires complexes. Ce travail de thèse tente de répondre à cette problématique et porte en particulier sur l’imprégnation thermique des parois des turbomoteurs, phénomène qui pénalise les capacités d’accélération de ces systèmes. La modélisation du phénomène d’imprégnation thermique a été menée à l’aide de la méthode nodale. Cette approche système a permis d’élaborer des modèles d’échange de chaleur simples pour chaque composant du moteur. Après une analyse fine des conditions d’écoulements et des géométries présentes dans une turbine à gaz, des lois issues d’études expérimentales ont été retenues pour modéliser les échanges convectifs et radiatifs. Un périmètre géométrique et une étude de sensibilité au maillage ont permis de limiter la taille des modèles développés sans caricaturer le phénomène physique décrit. Une validation des modèles d’échange de chaleur a été menée en comparant les températures de parois calculées à celles mesurées sur banc d’essais. L’intégration des modèles d’échange de chaleur dans le code de calcul de performances a permis de diminuer de façon importante les erreurs de prédiction des capacités d’accélération. Ceci reste valable pour l’ensemble du domaine de vol et pour différentes architectures et tailles de turbomoteurs. Enfin, pour mieux appréhender les erreurs résiduelles de prédiction, la sensibilité des performances aux déformations thermomécaniques et au rendement de combustion a également été abordée, modélisée et discutée
For a gas turbine preliminary design, the performances program has to simply integrate complex physical phenomena during transient conditions. This thesis addresses this issue and deals particularly with heat soakage, a transient effect which diminishes the gas turbine acceleration rate. The heat soakage modelling has been performed with the nodal method. This system approach enabled us to build simple heat transfer models for each engine component. After a detailed analysis of the air flow and the wall geometries characteristics usually found in a gas turbine, some laws, taken from experimental studies, have been used to model the convective and radiative heat transfers. A geometrical perimeter and a refining mesh study allowed us to reduce the models size without cartooning the described physical phenomena. A validation of the heat transfers model has been done by comparing the wall temperatures computed with those measured in a test bench. The update of the gas turbine performances program with the heat transfers models has diminished dramatically the prediction errors of the engine acceleration capabilities. This result is still valid within the whole flight envelope and for others turboshafts arrangements and several sizes. Eventually, in order to grasp the residual errors of prediction, the engine performances sensitivity to thermomechanical effects and combustion efficiency has been also studied

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015
Ce mémoire concerne l'étude aéroélastique des oscillations auto-soutenues en pilonnementtangage d'une aile portante montée sur des supports élastiques et exposée à un écoulement. De telles oscillations pourraient être utilisées afin de développer un nouveau type de turbine hydrocinétique relativement simple d'un point de vue mécanique. Ceci est possible car les oscillations qui résultent de l'interaction fluide-structure entre l'écoulement, l'aile et ses supports élastiques sont entretenues par un transfert d'énergie de l'écoulement vers la structure. Dans cette étude numérique, le logiciel OpenFOAM-2.1.x est utilisé afin de résoudre le problème aéroélastique. À l'aide de simulations instationnaires en deux dimensions d'un écoulement visqueux à nombre de Reynolds de 500 000, ce type de turbine est optimisé et amplement étudié afin de développer une meilleure compréhension de la physique en jeu. Suite à une optimisation de la turbine à l'aide d'une méthode de type gradients, des efficacités relativement élevées ont été obtenues. En effet, le cas optimal qui est présenté dans cette étude a une efficacité qui est de l'ordre de 34%. Cela correspond à une efficacité relativement élevée lorsqu'elle est comparée à l'efficacité d'une turbine hydrolienne cinématiquement contrainte qui est de l'ordre de 43%. Il faut noter que la version pleinement passive est mécaniquement beaucoup plus simple que la version cinématiquement contrainte. Un tel avantage mécanique peut, en soi, justifier pleinement une efficacité légèrement plus faible. De plus, la solution optimisée proposée dans ce mémoire n'est certainement pas unique et ne correspond pas au seul extremum du vaste espace paramétrique. En fait, d'autres solutions efficaces sont présentées dans ce mémoire et une optimisation complète autour de ces solutions demeure toujours à être effectuée. Dans tous les cas, ces réesultats démontrent le grand potentiel d'utiliser des ailes oscillantes pleinement passives en guise d'hydroliennes efficaces. D'un point de vue physique, ce mémoire met en valeur que le phénomène d'oscillations de cycle limite auquel l'aile est sujette est le résultat d'un flottement de décrochage. Cela est ainsi en raison de la forte interaction entre l'aile et les tourbillons largués pendant le grand décrochage dynamique. En fait, c'est spécifiquement cette interaction entre l'aile et les vortex qui donne lieu au mouvement de tangage. De plus, deux mécanismes responsables des bonnes performances de la turbine ont été mis en valeur. Ces mécanismes sont la synchronisation adéquate entre les deux degrés de liberté, ainsi que le mouvement non sinusoïdal en tangage.
This master's thesis deals with an aeroelastic problem that consists into self-sustained, pitchheave oscillations of an elastically-mounted airfoil. Such oscillations of an airfoil could be used in order to develop a novel fully-passive flow harvester that is relatively simple from a mechanical point of view. Indeed, the motion of an airfoil that is elastically mounted emerges as a result of the fluid-structure interaction between the flow, the airfoil and its elastic supports, and is sustained through a transfer of energy from the flow to the structure. In this numerical study, the OpenFOAM-2.1.x CFD toolbox is used for solving the aeroelastic problem. Through unsteady two-dimensional viscous simulations at a Reynolds number of 500,000, such a fully-passive turbine is optimized and extensively investigated to develop a better comprehension of the physics at play. Following a gradient-like optimization of the turbine, relatively high efficiencies have been obtained. Indeed, the optimal case found in this numerical study has a two-dimensional efficiency in the range of 34%. This is fairly high when compared to the two-dimensional efficiency of a kinematically-constrained turbine, which is in the range of 43%. Further, the fully-passive version of the turbine is far less mechanically complex than its kinematicallyconstrained counterpart. Alone, such a mechanical advantage could justify the slightly lower efficiency of the fully-passive turbine. Nevertheless, the optimized solution suggested within this thesis is certainly not the only local extrema of the vast parametric space pertaining to the aeroelastic device. Other efficient cases have been found, and complete optimizations about these solutions still need to be achieved. Overall, the results demonstrate the great potential of using fully-passive, flapping airfoils as efficient hydrokinetic turbines. From a more physical perspective, this thesis highlights the fact that the airfoil is undergoing limit-cycle oscillations as a result of stall flutter. This is because the interaction between the airfoil and the vortices shed during the dynamic stall events is large. In fact, it is specifically this interaction that mostly accounts for the pitching motion of the airfoil. Further, two fundamental mechanisms have been found to be very beneficial for enhancing the performances of the turbine. These mechanisms are the adequate synchronization between both degrees-offreedom, and the nonsinusoidal shape of the pitching motion.

Ce travail traite d'une part de la modélisation et la commande d'une distribution hydraulique pilotée en M. L. I. (Modulation en Largeur d'Impulsions) de son application dans un asservissement de position de vérin hydraulique et d'autre part de la modélisation et la commande de débit d'une pompe à cylindrée variable. Après la caractérisation générale de ladite distribution, une modélisation approfondie des différents phénomènes régissant son fonctionnement a été abordée. Les simulations dans le domaine temporel du modèle fortement non linéaire établi, ont permis d'en arriver à la corrélation et l'influence des diverses variables. La technique de linéarisation autour du point de fonctionnement a été introduite pour l'établissement des fonctions de transfert de la distribution en vue de la commande. La faisabilité du contrôle avec cette distribution étant démontrée, la structure de 2 distributeurs a été retenue pour la réalisation et l'étude de l'asservissement de position de vérin hydraulique dont la bande passante est de 2 à 3 Hz. Les structures de correction numérique approchées par une compensation statique des non linéarités suivie d'une compensation dynamique ont permis d'obtenir une bande passante de 5 Hz. La recherche des champs d'application de cette distribution nous a conduit à entreprendre la modélisation d'une pompe à cylindrée variable dont le mécanisme de variation d'angle du plateau est piloté par une servodistribution. La démarche de modélisation identique à celle de la distribution à permis d'établir un modèle dynamique servant de support pour la réalisation et l'étude de l'asservissement de position de plateau de pompe. Malgré le cout économique moindre de cette distribution, ses diverses non linéarités n'autorisent pas son implantation sur ce type de pompe (boucle fermée de bande passante : 8 Hz. ).

Dans cette thèse, un modèle numérique a été proposé pour simuler la combustion liquide des carburants conventionnels et non-conventionnels, en particulier le mélange de biodiesel B20. La matrice de test numérique constitue de quatre cas d’écoulement réactifs c.à.d. avec combustion et d’un cinquième avec injection liquide sans combustion (écoulement non-réactif). Les modèles sont calculés à l’aide du logiciel FLUENT™ v.14 en 3D et a l’état stationnaire. Les flammes de diffusion turbulentes sont modélisées en utilisant l’approche de flammelette laminaire stable, avec une fonction de densité de probabilité jointe (PDF). La Validation est effectuée en comparant les mesures expérimentales disponibles avec les résultats obtenus de la CFD. L’aérodynamique de la chambre de combustion, ainsi que les températures de parois extérieures sont captures avec un degré de précision satisfaisant. La validation des principaux produits de combustion, tels que : CO2, H2O et O2, montre des résultats satisfaisants pour tous les cas d'écoulement réactifs, mais certaines incohérences ont été relevées pour les émissions de CO. On pense que le banc d'essai (la géométrie de la chambre de combustion et son état de fonctionnement) n'est pas suffisamment adéquat pour la combustion de combustibles liquides. D’autre part, et d’un point de vue numérique, l’approche de flammelette laminaire stable a été trouvé raisonnablement hors mesure de saisir les effets profonds du non-équilibre chimique qui sont souvent associés au processus de lente formation d’un polluant, comme le CO.
In this thesis, a CFD model was proposed to simulate the liquid combustion of conventional and non-conventional biodiesel fuels, in particularly the B20 biodiesel blend. The numerical test matrix consists of four reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The models are computed using FLUENT™ v.14 in a 3D steady-state fashion. The turbulent non-premixed diffusion flames are modeled using the steady laminar flamelet approach; with a joint presumed Probability density function (PDF) distribution. Validation is achieved by comparing available experimental measurements with the obtained CFD results. Combustor aerodynamics and the outer wall temperatures are captured with a satisfactory degree of accuracy. Validation of the main combustion products, such as: CO2, H2O, and O2, shows satisfactory results for all the reacting flow cases; however, some inconsistencies were found for the CO emissions. It is believed that the test rig (combustor geometry and operating condition) is not sufficiently adequate for burning liquid fuels. On the other hand, from a numerical combustion point of view, the steady laminar flamelet approach was found not reasonably able to capture the deep non-equilibrium effects associated with the slow formation process of a pollutant, such as CO.

Le développement croissant de systèmes de stockages connectés au réseau électrique se voit stimulé par les problématiques de gestion de réseau liés entre autres à l'intégration croissante de technologies de production renouvelables. L'accumulation hydropneumatique d'énergie apparait comme une solution propre et économiquement intéressante dans le panel des technologies existantes. Cette étude analyse une configuration d'accumulation air-eau sans séparation, en cycle fermé et utilisant une pompe/turbine rotodynamique. Les principales problématiques en relation à ces choix techniques sont : les phénomènes de transfert de masse et de chaleur à l'interface air-eau, les caractéristiques de fonctionnement d'une machine hydraulique rotodynamique en régime d'opération variable et le rendement d'accumulation du système. Ces aspects sont traités ici par des approches locales dans certains cas, puis globales afin de pouvoir proposer un modèle de comportement dynamique du système de stockage pouvant faire l'objet de simulations rapides. Les aspects de modélisation ont été élaborés en parallèle au développement d'un banc d'essais de 45 kW réalisé dans le cadre de ce travail. Les observations expérimentales obtenues sur ce banc sont comparées aux résultats du modèle qui rend bien compte de la dynamique et de l'état énergétique du système. Des études d'amélioration du système sont engagées à la fin du document. Elles concernent d'une part la question de la flexibilité de fourniture de puissance et d'autre part le rendement d'accumulation du réservoir de stockage
The present increasing development of storage systems connected to electrical network is stimulated by network management issues related to recent energetic landscape evolutions such as the increasing integration of renewable production sources. The hydro-pneumatic system seems to offer a clean and cheap energy storage solution among the set of existing storage technics. The present study analyses an air-water direct contact accumulation configuration, in closed cycle and using a rotodynamic pump/turbine. The main points of interest related to these technical choices are: the air-water interface mass and heat phenomena, variable operating point performances of a rotodynamic hydraulic machine and the overall efficiency of the storage device. These aspects are studied by, in some cases, a local approach, and then a global one in order to propose a dynamic behaviour model of the storage system suitable for rapid simulations. The modelling aspects were treated in parallel to the development of a 45 kW test rig built during this project. The experimental observations made on this test rig are compared to the modelling results that represent correctly the dynamics and energetic state of the system. At the end of this document, some studies for the improving of the power delivery flexibility and efficiency increasing of the accumulation element are engaged

Le retour de chaleur est un phénomène bien reconnu pour entrainer le vieillissement prématuré et l’éventuelle défaillance des moteurs à combustion interne en condition post-arrêt. Les études de ces systèmes, plus particulièrement de la turbine à gaz, ont démontré la tendance de la chaleur à diffuser librement vers les sections, pièces et cavités (telle la chambre de combustion), plus froides du moteur, à partir du moment où les pièces rotatives s’immobilisent. Principalement composé de convection naturelle, le front de chaleur risque d’entrainer l’oxydation prématurée du carburant (cokage) demeuré dans les injecteurs supérieurs. Cette étude propose un modèle par mécanique des fluides numérique (MFN), capable de reproduire le retour de chaleur dans une chambre de combustion tubulaire modifiée, et d’évaluer ses conséquences sur le système de distribution de carburant. Le modèle numérique fera plus tard l’objet de validation par des tests expérimentaux, sur cette chambre équipée de masses complémentaires d’accumulation thermique.
Heat soak-back is a phenomenon observed in many thermal applications including internal combustion engines. Post shutdown studies of these systems, particularly gas turbines, have shown that a massive heat wave could diffuse in the engine causing potential damage. As moving parts in the engine immobilize, heat diffuses freely from hotter to colder sections, including cavities such as the combustor. Primarily composed of free convection, the heat front in the combustor may cause premature coking in the top dead center injectors as the buoyant hot air tends to reach the upper section of the combustor. The following investigation implies computational fluid dynamics (CFD) simulation in order to predict the thermal behaviour and magnitude of this soak-back phenomenon inside a modified can combustor test rig and its potential consequences on the fuel delivery system. The numerical model will eventually be validated using experimentations with this combustor equipped with complementary thermal accumulation masses.

Apres avoir situe l'etude dans le cadre general de la geologie des granites et expose les problemes lies a l'hydrogeologie des milieux fissures du socle et apres avoir mis en evidence la succession de differents types d'ecoulements lors de deux pompages d'essais realises sur un site experimental situe sur un aquifere granitique fissure, il a ete etabli une relation du type s=at#n liant le rabattement s au temps de pompage t et aux parametres a et n dont la variabilite spatiale a ete estimee. Une analogie a ete ensuite etablie entre cette relation et la solution elementaire derivee de l'equation generale d'ecoulement qui prend en compte les dimensions spatiales non entieres dans les modeles interpretatifs du milieu fissure ou ne peuvent plus etre appliquees les methodes classiques utilisees en milieu poreux isotrope, ni meme certains modeles a fracture unique. Cette analogie permet, si on dispose d'un puits et d'au moins deux piezometres situes sur un axe passant par le puits, de caracteriser le milieu fissure etudie par des parametres analogues a ceux qui decrivent un reservoir poreux, des lors que l'ecoulement interesse un nombre de fractures assez grand. L'application de cette nouvelle methode sur deux cas concrets, situes dans les aquiferes fissures granitique et carbonate, ou les piezometres sont disposes sur plusieurs axes, a permis de mettre en evidence des zones hydrauliquement conductrices. La methode a ete aussi appliquee a l'analyse des pompages periodiques journaliers effectues sur plusieurs mois, avec des debits de pompage et des durees de sequences variables d'une sequence a l'autre

Les gains en performances des moteurs aéronautiques obtenus par l'élévation de la température d'entrée turbine requièrent une hausse de l'efficacité du refroidissement des aubes, assuré par l'écoulement d'air frais sous haute pression dans des circuits internes. La conception des aubes nécessite alors de disposer d'outils de prévision des échanges convectifs internes, fiables et aux temps de rendu courts. Cette thèse a été consacrée au développement de méthodologies de calcul RANS adaptées à cette problématique à partir de la plateforme de calcul CEDRE de l'Onera qui traite des maillages non structurés. La modélisation des tensions de Reynolds et des flux turbulents d'enthalpie dans les zones dites haut et bas-Reynolds a été étudiée. On s'est notamment intéressé aux approches récentes offrant les meilleures perspectives de rapport qualité/coûts. Ainsi, des modèles à équations de transport reposant sur une viscosité turbulente, des modèles explicites algébriques d'ordre 2 et des lois de paroi numériques ont été évalués sur leurs capacités à rendre compte des effets de la rotation ou de la courbure des écoulements sur l'anisotropie de la turbulence et des conséquences de ces effets sur les échanges convectifs. La validation de ces modèles s'est basée sur les données des bancs d'essai MERCI et BATHIRE de l'Onera et celles issues du projet européen ERICKA. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec un modèle aux tensions de Reynolds explicite algébrique et un modèle de flux turbulents d'enthalpie basé sur une hypothèse de Gradient-Diffusion généralisé. Enfin, la méthodologie développée a été appliquée avec succès sur un cas d'aube réelle du motoriste Snecma
The increase in gas turbine performance based on a turbine entry temperature rise requires the improvement of the blade cooling efficiency. Blades are cooled by internal convection thanks to the injection of high-pressure unburnt air into cooling channels. Therefore fast and reliable numerical tools are able to predict internal convective heat transfers are needed for the design of turbine blades. The goal of the present work was to develop methodologies for RANS simulations able to achieve such predictions. The software platform of Onera called CEDRE, which is designed for unstructured meshes, has been used. Focus was on the modeling of the Reynolds stress tensor and the enthalpy turbulent fluxes for both high-Reynolds and near-wall areas. Meshing strategy was also considered. Greater emphasis was placed on the approaches that could yield the best quality/cost ratio. For that reason one-equation turbulence models based on eddy viscosity, explicit algebraic Reynolds stress models and advanced wall laws have been evaluated on their ability to reproduce the effects of rotation and flow curvature on turbulence anisotropy, and on the consequences of these effects on convective heat transfers. Validations were carried out by comparison with the experimental data obtained both on the MERCI and BATHIRE test rigs of Onera and in the framework of the european project ERICKA. Promising results were obtained with an explicit algebraic Reynolds stress model for turbulent momentum fluxes and a model based on a generalized gradient-diffusion hypothesis for turbulent enthalpy fluxes. The obtained methodology was successfully applied to a real blade configuration from Snecma

Ces travaux s'intéressent à l'estimation de la fiabilité des évacuateurs de crues vannés. Le comportement fiabiliste de ces systèmes hydrauliques dépend à la fois d'événements aléatoires discrets, mais aussi de l'évolution d'une variable déterministe continue : ce sont des systèmes dynamiques hybrides. Pour ces systèmes, l'événement redouté est réalisé lorsque le niveau de la retenue atteint un seuil de sûreté. La démarche de fiabilité dynamique proposée dans cette thèse vise à prendre en compte l'information temporelle, de la modélisation à la synthèse d'indicateurs fiabilistes pour l'aide à la décision et développe deux contributions : 1) L'élaboration d'une base de connaissances dédiée à la description des évacuateurs de crues en termes de fiabilité dynamique. Chaque classe de composants est décrite par un automate stochastique hybride dont les états sont les différentes phases de son fonctionnement. 2) Le suivi de la simulation de Monte Carlo, le traitement et l'analyse des "histoires" (séquence de tous les états activés et des dates d'activation) obtenues en simulation. Cela permet de construire des indicateurs de fiabilité classique (probabilité d'occurrence de l'évènement redouté, identification des coupes équivalentes prépondérantes, ...). Des indicateurs de fiabilité dynamique basés sur la classification des histoires en fonction des dates de défaillance des composants concernés et sur l'estimation de l'importance dynamique sont aussi proposés.

Dans l'industrie, et notamment au niveau des fabricants de composants hydrauliques et pneumatiques, il est de plus en plus important de maîtriser la fiabilité des produits fabriqués. La détermination de cette fiabilité exige le développement de méthodes de réduction de la durée et du coût des essais. Les techniques bayésiennes sont une première étape vers la réduction des durées d'essais nécessaires à l'estimation de la fiabilité. Une seconde consiste à modéliser l'influence de l'environnement sur le comportement de composants afin de pouvoir estimer les performances de ces composants dans des conditions données sans aucun essai. La méthode que nous avons développée permet de calculer à la fois les facteurs environnementaux permettant de passer d'un essai à un autre et la loi de fiabilité de base d'un composant. Cet outil fournit un modèle complet de la fiabilité d'un composant ; on détermine alors la fiabilité à partir des valeurs des contraintes extérieures appliquées (pression, température, fréquence).

Les travaux présentés contribuent à la modélisation stochastique de la maintenance de systèmes mono- ou multi-composants à détériorations et à modes de défaillances multiples en environnement dynamique. Dans ce cadre, les contributions portent d'une part sur la modélisation des processus de défaillance, et d'autre part sur la proposition de structures de décision de maintenance intégrant les différents types d'information de surveillance en ligne disponible sur le système (état de détérioration mesuré ou reconstruit, état de l'environnement, ...) et le développement des modèles mathématiques d'évaluation associés. Les modèles de détérioration et de défaillances proposés pour les systèmes mono-composants permettent de rendre compte de sources de détérioration multiples (chocs et détérioration graduelle) et d'intégrer les effets de l'environnement sur la dégradation. Pour les systèmes multi-composants, on insiste sur les risques concurrents, indépendants ou dépendants et sur l'intégration de l'environnement. Les modèles de maintenance développés sont adaptés aux modèles de détérioration proposés et permettent de prendre en compte la contribution de chaque source de détérioration dans la décision de maintenance, ou d'intégrer de l'information de surveillance indirecte dans la décision, ou encore de combiner plusieurs types d'actions de maintenance. Dans chaque cas, on montre comment les modèles développés répondent aux problématiques de la maintenance de turbines et de parcs éoliens
The thesis contributes to stochastic maintenance modeling of single or multi-components deteriorating systems with several failure modes evolving in a dynamic environment. In one hand, the failure process modeling is addressed and in the other hand, the thesis proposes maintenance decision rules taking into account available on-line monitoring information (system state, deterioration level, environmental conditions …) and develops mathematical models to measure the performances of the latter decision rules.In the framework of single component systems, the proposed deterioration and failure models take into account several deterioration causes (chocks and wear) and also the impact of environmental conditions on the deterioration. For multi-components systems, the competing risk models are considered and the dependencies and the impact of the environmental conditions are also studied. The proposed maintenance models are suitable for deterioration models and permit to consider different deterioration causes and to analyze the impact of the monitoring on the performances of the maintenance policies. For each case, the interest and applicability of models are analyzed through the example of wind turbine and wind turbine farm maintenance

Cette these porte sur la modelisation et la simulation numerique d'ecoulement dans un tube a choc. L'objectif est de comprendre le processus de contamination du gaz servant de reservoir a un ecoulement a haute enthalpie dans une tuyere. Nous avons decrit le code de calcul multi-bloc de type volumes finis dans lequel les equations conservatives de navier-stokes sont resolues grace a un schema d'ordre 2 en temps et en espace de type muscl-hancock, associe a quatre solveurs a savoir riemann, efm, ausmdv, ausm, puis nous avons realise une etude en fonction de la geometrie du tube a choc et des conditions initiales et aux limites. Ces resultats mettent en evidence l'interdependance existant entre le phenomene de contamination, la bifurcation du choc reflechi et la couche limite parietale. Enfin nous avons elabore un critere sur le choix du diametre du tube a choc pour minimiser cette contamination.

Les matériaux granulaires présentent un large spectre de propriétés mécaniques. Développer des modèles constitutifs permettant d'intégrer ces caractéristiques dans le cadre de simulations à l'échelle de l'ouvrage demeure un réel challenge scientifique. A cet égard, les approches multi-échelles constituent aujourd'hui une voie très prometteuse. Elles permettent de faire émerger des propriétés macroscopiques à partir de modèles micromécaniques calibrés à l'échelle microscopique.Parmi les modèles multi-échelles, le modèle H marque une avancée majeure pour la prise en compte des effets de la microstructure dans le comportement des matériaux granulaires. La structure du matériau granulaire est décrite par une distribution d'hexagones orientés dans l'espace. A partir d'opérations d'homogénéisation, les contraintes et les déformations incrémentales sont reliées à l'échelle de la distribution, donnant lieu à un modèle de comportement qui a la capacité à reproduire propriétés mécaniques essentielles des matériaux granulaires.Nous étudions dans un premier temps les propriétés mécaniques de l'assemblage hexagonal de grains, élément de base du modèle H, afin d'identifier les conditions menant à sa déstabilisation. Nous réalisons dans un second temps une étude de sensibilité du modèle constitutif vis-à-vis des paramètres micro-mécaniques et microstructurels. Enfin, nous démontrons les capacités opérationnelles du modèle à partir d'essais triaxiaux non drainés réalisés sur un sable lâche liquéfiable.Dans un second temps, le modèle H est implémenté en tant que loi constitutive dans un code de calcul aux différences finies. Des simulations d'essais biaxiaux non homogènes sont conduites afin d'explorer les capacités du modèle à reproduire les différents modes de rupture observés en laboratoire. L'utilisation du modèle H pour modéliser des essais biaxiaux drainés et non drainés met clairement en évidence l'influence de la microstructure sur la réponse mécanique des matériaux granulaires. Enfin, le modèle H est utilisé dans le cadre d'une simulation hydro-mécanique couplée à l'échelle de l'ouvrage pour modéliser le chargement d'une fondation superficielle et la rupture d'une digue soumise à une crue
Granular materials generally exhibit a broad spectrum of mechanical properties. Developing constitutive models to integrate these properties in the context of simulations at the structure scale remains a real scientific challenge. In this respect, multi-scale approaches offer very promising solutions as they allow the emergence of macroscopic properties from micromechanical models calibrated on a microscopic scale.Among the multiscale models, the H model marks a major step forward in taking into account the effects of the microstructure in the behavior of granular materials. The structure of the granular material is described by an assembly of hexagons, oriented in space. From homogenization operations, stresses and incremental strains are related to the scale of the assembly, giving rise to a constitutive model that has the ability to reproduce the essential mechanical properties of granular materials.We first study the mechanical properties of the hexagonal grain assembly in order to identify the conditions leading to the triggering of its instability. We then carry out a study of the sensitivity of the constitutive model with respect to micro-mechanical and microstructural parameters. Finally, we demonstrate the operational capacities of the model from triaxial undrained tests carried out on a liquefiable loose sand.In a second step, the H model is implemented as a constitutive law in a finite difference code. Simulations of non-homogeneous biaxial tests are carried out in order to explore the model's capacities to reproduce the different failure modes observed in the laboratory. The use of the H model to model drained and undrained biaxial tests highlights the influence of the microstructure on the mechanical response of granular materials. Finally, model H is used in numerical simulations at the structure scale to model the loading of a shallow foundation and the failure of a levee subjected to a flooding event

La marée interne générée sur une topographie est un élément clé des transferts énergétiques des échelles de forçage de l'océan vers les échelles de mélange turbulent. Elle contribuerait à près de la moitié du mélange turbulent nécessaire au maintien de la stratification océanique. Une compréhension plus approfondie des processus mis en jeu est nécessaire pour décrire plus précisément son rôle dans le maintien de la circulation océanique. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux d'Y. Dossmann (2012) portant sur les ondes internes solitaires générées au dessus d'une dorsale océanique. Ces travaux reposent sur une utilisation complémentaire d'expériences physiques menées dans le grand canal du CNRM-GAME et d'expériences numériques à l'échelle du laboratoire effectuées avec le modèle d'océanographie côtière SNH. L'utilisation simultanée de ces deux outils a notamment permis d'évaluer la validité des hypothèses sous-jacentes de ce modèle et le développement de nouveaux schémas numériques. Dans cette thèse, des simulations numériques utilisant la version non-hydrostatique et non-Boussinesq du modèle SNH sont utilisées pour décrire les différents régimes d'ondes internes dans des régions " supercritiques ". Le terme supercritique désigne à la fois des courants de marée intenses dont la vitesse U est supérieure à la vitesse de propagation des ondes internes cn, et des topographies très abruptes dont l'angle de la pente est supérieur à l'angle du rayon d'onde interne dans la pycnocline . De telles conditions environnementales correspondent à des régions de mélange intense, jusqu'à 10 000 fois supérieur au mélange turbulent observé dans l'océan ouvert. Les processus physiques ayant lieu dans ces régions restent encore mal compris et mal représentés par les paramétrisations d'ondes internes existantes. De plus, ces régions sont également des zones propices à la génération d'ondes internes non-linéaires pouvant se propager pendant plusieurs jours et entraînant ainsi des transferts d'énergie significatifs loin de leur zone de génération. La description des processus turbulents en jeu dans ces régions " extrêmes " constitue le cœur de ma thèse. Dans une première partie, des configurations académiques à l'échelle du laboratoire sont mises en place pour étudier les processus en jeu dans différents régimes " supercritiques " de génération d'onde internes. Des simulations numériques directes sont réalisées et permettent d'identifier un nombre limité de paramètres physiques adimensionnés contrôlant la dynamique des ondes internes dans ces régions. Une attention particulière est portée sur le rôle joué par la topographie sur la génération des modes verticaux d'ondes internes et sur la formation de modes " hauts " d'ondes internes solitaires. Le second objectif de cette thèse est de faire le lien entre les précédentes études académiques à l'échelle du laboratoire et l'échelle océanique. Pour cela, un principe de similitude permettant de conserver la dynamique des ondes internes tout en modifiant l'échelle de l'écoulement est mise en place. Par le biais de ce principe de similitude, nous partons de cas idéalisés à l'échelle du laboratoire, que nous transposons à l'échelle océanique, pour nous rapprocher de cas océaniques plus réalistes et de plus en plus complexes. Puis notre étude de régime est étendue à deux régions océaniques " supercritiques " bien connues : le détroit de Gibraltar et le plateau situé à l'entrée du golfe du Maine (nommé " Georges Bank " en anglais). L'applicabilité de nos paramètres clés est étudiée dans le cas de ces deux environnements complexes par le biais de simulations haute résolution de grande échelle (LES)
Internal tides are involved in the Meridional Overturning Circulation energy balance. The issue about the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources induces a need for a quantitative evaluation of the energy transfers and for a clear understanding of the physical processes involved in these energy transfers. In supercritical regions such as the strait of Gibraltar or the Hawaiian Ridge, large topography variations and strong currents lead to more complex generation mechanisms of internal waves and environmental interactions. They can be subject locally to spectacular breaking, with turbulent structures observed hundreds of meters above the seafloor, and driving turbulence orders of magnitude higher than open-ocean levels. These regions are also effective at generating nonlinear internal waves (ISWs) which persist for days after their generation and are suspected to be responsible for important remote energy transfers. In these "extreme" regions, ISWs dynamics is also more difficult to model. These situations are highly non-hydrostatic and non-linear with strong instabilities, strong velocity and density gradients and steep slopes. Moreover, in these regions, actual internal wave's parameterizations are often inadequate. So there is a real need to understand and represent better the ISWs dynamic in these areas. This thesis follows the line of research of Dossmann (2012), on topographically induced internal solitary waves which used a complementary approach relying on numerical and experimental configurations at laboratory scale. In this context, we continue to explore internal tide regimes but in "supercritical" regions: internal tide generation area with supercritical topography and hydraulic control. Simulations are performed using the nonhydrostatic and non-Boussinesq version of the regional oceanic circulation model SNH. In a first part, taking an idealized modeling approach at laboratory scale, we examined a range of different internal waves regimes in "supercritical" regions. Relying on quasi-direct numerical simulations (quasi-DNS), a regime analysis has been proposed using and identifying key non-dimensional parameters for ISWs dynamics. This analysis has permitted to recover a topographic control on vertical mode generation characterized by the ratio of vertical mode wavelength to topography width, even above supercritical topography. The topographic selection criterion has proven to be a useful indicator of high mode solitary wave formation in non-linear regime. The purpose of the second part is to extend the previous studies at laboratory scales towards more realistic oceanic conditions. In this regard, the regime analysis is applied to a idealized large scale oceanic strait through a similitude principle. The idealized strait configuration succeeds in representing laboratory scale strait regime at largest and realistic scales. Then our analysis is applied to two well-known realistic cases: the Strait of Gibraltar and Georges Bank through large eddy simulations. These two oceanographic "supercritical" regions are particularly interesting for their specific topography and stratification conditions

La modélisation intégrée du système d’assainissement urbain offre la flexibilité nécessaire pour développer des solutions qui bénéficient le plus au système global, en mettant l'accent sur la quantité et la qualité de l'eau, Les modèles intégrés offrent des avantages par rapport aux modèles traditionnels des sous-systèmes individuels en facilitant l’analyse efficace des interactions entre ces différents systèmes individuels (c.-à-d. les bassins versants, les égouts, les stations d’épuration et les eaux réceptrices) dans une seule plateforme de modélisation. La complexité réduite de ce type de modèle diminue le fardeau de calcul par rapport à leurs homologues détaillés, ce qui permet une plus large gamme d'évaluations telles que l'analyse de scénarios, l'optimisation par contrôle en temps réel et l’analyse d'incertitude par approche Monte Carlo. Le potentiel de créer ces types de modèles intégrés représentatifs a été démontré dans de multiples études, mais les méthodes existantes pour développer ces modèles ne sont pas bien établies ni bien documentées et nécessitent donc un grand effort pour chaque nouveau cas d’étude. De plus, l'absence d'une méthode standardisée pour représenter la partie du modèle qui simule la quantité d'eau limite l'application de ces modèles pour des études de qualité de l'eau. Bien que la recherche soit nécessaire pour développer et optimiser toutes les méthodologies impliquées dans le développement de modèles intégrés de systèmes d'eaux usées urbaines, ce projet se concentre sur les modèles conceptuels simplifiés des bassins versants et des égouts pour la quantité d'eau. L'objectif de cette étude était de développer une procédure structurée pour traduire des modèles hydrologiques et hydrauliques détaillés en modèles conceptuels simplifiés utilisés dans la modélisation du système intégré des eaux usées urbaines. L'objectif était d'améliorer la répétabilité, la flexibilité et l'efficacité de l'approche générale, indépendamment de la plateforme de modélisation choisie. Cette tâche a été réalisée en extrayant les principales étapes et considérations tout en construisant deux modèles conceptuels simplifiés d'une étude de cas au centre d'Ottawa, au Canada. La partie urbaine centrale (6 400 ha) d'un modèle détaillé PCSWMM de la Ville d'Ottawa, contenant une combinaison d'égouts séparés, partiellement séparés et combinés, a été utilisée comme modèle de référence dans cette étude de cas. La tâche principale consistait à déterminer comment traduire ce modèle détaillé en modèle conceptuel simplifié de manière structurée, systématique et répétable en utilisant WEST comme plateforme. La procédure développée suit une séquence similaire à celle des protocoles examinés dans la revue de la littérature, tout en tenant compte des spécificités liées à l'agrégation des bassins versants et des égouts. Les quatre phases principales sont la définition du projet, le développement du modèle, la calibration et la validation. Deux versions du modèle conceptuel ont été créées : le premier a d'abord été créé avec un certain niveau d'agrégation, tandis que le deuxième était plus agrégé que le premier modèle, avec environ la moitié du nombre de bloques et de réservoirs. Les deux modèles ont été calibrés et comparés au modèle détaillé. Les résultats des simulations ont montré que le volume total et la dynamique des débits calculés par les modèles conceptuels ont bien émulé ceux du modèle détaillé (< < 10% de différence), tout en fournissant une réduction significative du temps de calcul (10 à 80 fois). La réduction du temps de simulation pour le modèle le plus agrégé n'était pas équivalente au niveau d'agrégation augmentée, principalement parce qu’il y a une quantité de code qui est présente dans les deux codes et prend donc le même temps de calcul. Comme généralement anticipé, des différences plus grandes, mais acceptables, ont été observées en validation. Ces différences ont été attribuées à plusieurs facteurs, tels que le manque de calibration avec des données sur une période longue, les représentations simplifiées des structures spéciales, les différences entre les mécanismes utilisés dans les modèles détaillés et conceptuels pour représenter le durée de pluie, et la configuration du code de modèle. Dans l'ensemble, la validation a été une réussite étant donné que la calibration a été effectuée à l'aide d'événements de courte durée alors que la validation a utilisé une longue série de données. En général, la procédure conçue a permis de réduire le travail manuel associé à la construction d'un modèle et à bien structurer la façon de construire des modèles conceptuels. Des connaissances pour chacune des différentes phases de modélisation ont également été acquises tout au long du processus du développement des deux modèles. Dans la phase ‹‹ Définition du projet ››, les objectifs du modèle conceptuel ont guidé la méthode de développement et de calibration du modèle. Les bassins versants et les égouts ont été délimités simultanément dans la phase de ‹‹ Développement du modèle ››, tout en tenant compte des emplacements des structures hydrauliques clés, des pluviomètres et des structures de débordement. La phase de ‹‹ Calibration ›› a permis l'avancement le plus systématique étant donné qu'un bon ordre de calibration a été défini et un ensemble limité de paramètres a été ciblé pour chacune des étapes de calibration. La phase de ‹‹ Validation ›› s'est révélée essentielle pour repérer des lacunes dans les hypothèses de base et les valeurs calibrées, afin de déterminer si le modèle est prêt à être utilisé ou doit être modifié. Une procédure efficace et structurée qui traduit les représentations des bassins versants urbains et des égouts de modèles détaillés en modèles intégrés conceptuels a été développée et appliquée avec succès à une étude de cas. Comme démontré dans ce projet, l'application de la procédure structurée mènera au développement efficace de modèles intégrés représentatifs, ce qui augmentera leur utilisation potentielle pour tester des scénarios réalistes. Pour raffiner et améliorer la procédure formulée, il est recommandé de l'appliquer à d’autres études de cas.
Modelling urban wastewater networks within integrated systems, focusing on both water quantity and quality, introduces flexibility to develop solutions with greatest benefit to the overall system. Integrated models provide benefits over traditional single sub-system models by facilitating efficient analysis of interactions between the individual components of urban water systems (i.e. catchments, sewers, treatment plants, and receiving waters) within a single modelling platform. The reduced complexity of this type of model decreases the computational burden compared to their detailed counterparts. This allows for a wider range of assessments such as scenario-testing, RTC optimization, and Monte Carlo uncertainty analyses. The potential to create these types of representative integrated models was proven in multiple studies, however, the current methods to develop these models are not well-established nor well documented, and therefore require significant work for each case study. Furthermore, the lack of a standardized method to represent the water quantity portion limits the wide-scale application of such models for water quality studies. Although research is required to further develop and optimize all methodologies involved with building Integrated Urban Wastewater System (IUWS) models, this project focuses on the simplified catchment and sewer conceptual models for water quantity. The objective of this study was to develop a structured procedure to translate detailed hydrologic and hydraulic models into the simplified conceptual models used in IUWS modelling. The aim was to improve repeatability, flexibility and efficiency of the general approach, regardless of chosen modelling platforms. This task was achieved by extracting the key steps and considerations while building two simplified conceptual models of a case study in central Ottawa, Canada. The central urban portion (6,400 ha) of a calibrated detailed PCSWMM model of the City of Ottawa, containing a mix of separated, partially-separated and combined sewer areas, was used as the reference model in this case study. The main task involved determining how to translate this detailed model into simplified conceptual models, using WEST as the platform, in a structured, systematic and repeatable way. The resultant developed procedure follows a similar sequence as the protocols reviewed in the literature review, while taking into consideration specifics related to aggregating catchments and sewers. The four main phases of this thesis are Project Definition, Model Development, Calibration and Validation. Two versions of the lumped model were created; the first was created with a certain level of aggregation, while the second was a further aggregation of the first model, resulting in about half the number of blocks and reservoirs. Both models were calibrated and compared to the detailed model as well as to each other. The simulation results showed that the volume and dynamics (ie. the shape of the hydrographs) of the conceptual models emulated those of the detailed model well (< < 10% differences), while providing a significant reduction in simulation-time speed-up (10 to 80 times faster than the detailed model). The simulation time reduction in the more aggregated model was not equivalent to the increased level of aggregation, mostly due to the fixed amount of basic calculation required in each model. As generally expected, larger but acceptable differences were found during the validation period compared to the calibration period. These differences were attributed to several factors, such as the lack of a long-time series calibration, oversimplified representations of special structures, the different mechanisms in the detailed and conceptual models used to represent wet weather flow, and the configuration of the model code. Overall, the validation was successful given the fact that the calibration was performed using events whereas the validation used an extended time series of 45 days. In general, the devised procedure helped reduce the manual labour associated with building a model and structured the approach to build the conceptual models. General findings from the various identified phases were also documented throughout the model building process. In the Project Definition phase, the conceptual model’s objectives guided the method of model development and calibration. The catchments and sewers were delineated concurrently in the Model Development phase, while taking into consideration the locations of the key hydraulic structures, raingauges and overflows. The Calibration phase allowed for the most systematic advancement of the model build, given that a good calibration order was defined and a limited set of parameters was targeted in each successive run. The Validation phase proved critical in pinpointing deficiencies in the initial assumptions and calibrated values, thus determining whether the model is ready for use or needs to be modified through one of the preceding phases. An efficient and structured procedure that translates catchment and sewer representations from detailed to conceptual models in IUWS was developed and successfully applied to a case study. As demonstrated in this project, applying the proposed structured procedure will lead to the efficient development of representative IUWS models, thus increasing their potential use to test real-life scenarios. To challenge and improve the formulated procedure, applying it to multiple case studies is recommended.

Ce manuscrit de thèse présente une nouvelle approche pour caractériser qualitativement et quantitativement la localisation et les propriétés des structures dans un aquifère fracturé et karstique à l’échelle décamétrique. Cette approche est basée sur une tomographie hydraulique menée à partir de réponses à une investigation de pompages et interprétée avec des méthodes d’inversions adaptées à la complexité des systèmes karstiques. L’approche est appliquée sur un site karstique d’étude expérimental en France, une première fois avec des signaux de pompage constants, et une deuxième fois avec des signaux de pompage harmoniques. Dans les deux cas, l’investigation a fourni des réponses de niveaux d’eau de nappe mesurés pendant des pompages alternés à différentes positions. L’interprétation quantitative de ces jeux de réponses consiste à les reproduire par un modèle avec un champ de propriété réaliste adéquat généré par inversion. Les méthodes d’inversions proposées dans ce manuscrit permettent de reconstruire un champ de propriétés hydrauliques réaliste en représentant les structures karstiques soit par un réseau généré par automates cellulaires, soit par un réseau discrétisé. Les résultats d’interprétations obtenus sur le site d’étude expérimental permettent d’imager les structures karstiques sur une carte et de « lire » leur localisation. De plus, les résultats obtenus avec les réponses à des pompages harmoniques tendent à montrer le rôle de la fréquence du signal sur les informations portées par les réponses. En effet, les fréquences plus élevées caractérisent mieux les structures les plus conductrices, alors que les fréquences plus faibles mobilisent des écoulements également dans des structures karstiques moins conductrices
This thesis manuscript presents a novel approach to characterize qualitatively and quantitatively the structures localization and properties in a fractured and karstic aquifer at a decametric scale. This approach relies on a hydraulic tomography led from responses to a pumping investigation and interpreted with inversion methods adapted to the complexity of karstic systems. The approach is applied on a karstic experimental study site in France, a first time with constant pumping signals, and a second time with harmonic pumping signals. In both applications, the investigation resulted in groundwater level responses measured during alternated pumping tests at different locations. The quantitative interpretation of these sets of responses consists in reproducing these responses through a model with an adequate realistic property field generated by inversion. The inversion methods proposed in this manuscript permit to reconstruct a realistic hydraulic property field by representing the karstic structures either through a network generated by cellular automata, or through a discretized network. The interpretation results obtained on the experimental study site permit to image the karstic structures on a map and to‘read’ their localization. Furthermore, the results obtained with the responses to harmonic pumping tests tend to show the role of the signal frequency on the information carried by the responses. In fact, higher frequencies better characterize the most conductive structures, while lower frequencies mobilize flows also in less conductive karstic structures

L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits
The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns

L'objectif de ce travail est de modéliser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés. Ceci concerne précisément l'amélioration et l'extension d'un modèle par éléments discrets appelé BRIG3D. Ce modèle assimile un massif rocheux fissuré à un assemblage de blocs rigides qui interagissent au niveau de leurs interfaces. La déformation de ces interfaces est reliée aux déplacements relatifs des blocs. Sous l'effet des sollicitations du massif, chaque bloc, en interaction avec d'autres, se déplace vers une position d'équilibre. Les améliorations concernent la reformulation mécanique de BRIG3D. De nouvelles descriptions concernant le mouvement d'un corps rigide, la position des interfaces et le champ des contraintes sont introduites. Ce travail de recherche concerne également l'introduction d'un modèle par éléments frontières décrivant un écoulement laminaire, permanent et plan aux interfaces des blocs. Le couplage de ces deux modèles à permis d'analyser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés soumis à diverses sollicitations. Une étude particulière a été consacrée à l'analyse du comportement d'une fondation de barrage.

L'implémentation des éoliennes à proximité des systèmes VOR (VHF Omnidirectional Range) est une préoccupation importante pour l'aviation civile. Les éoliennes constituent une source de multitrajets qui peuvent produire des erreurs sur l'information d'azimut estimée par le récepteur d'avion. Dans la littérature, l'erreur VOR est calculée à partir de paramètres multitrajets en utilisant l'expression analytique proposée par Odunaiya et Quinet. Dans cette thèse de doctorat, nous avons développé un modèle d'un récepteur IQ numérique qui peut reproduire la réponse d'un récepteur VOR lorsque les multitrajets varient dans le temps tout au long d'une trajectoire réaliste d'avion. Le Chapitre 1 présente les principes de base des systèmes : VOR conventionnel (VORC) et VOR Doppler (VORD). Le phénomène de multitrajets générés par les éoliennes à proximité des stations VOR est détaillé en présentant ses paramètres et certaines méthodes de modélisation associées qui existent dans la littérature. Un aperçu des récepteurs VOR est présenté en décrivant la structure classique d'un récepteur VOR et les étapes du traitement du signal appliquées afin d'extraire l'information d'azimut. Les expressions de l'erreur VOR proposées par Odunaiya et Quinet pour les systèmes VORC et VORD sont données et illustrées. Dans le Chapitre 2, nous présentons notre modèle de récepteur IQ numérique. Un générateur de séries temporelles au long d'une trajectoire réaliste d'avion est présenté. Un critère échantillonnage est également proposé pour être sûr de capturer toutes les variations de multitrajets dans l'espace. Le modèle de récepteur IQ numérique est détaillé en décrivant ses composantes. Afin d'analyser l'effet et dynamique de multitrajets sur le récepteur VOR, un test d'illustration est donné en comparant la réponse du modèle avec l'expression d'Odunaiya. Dans le Chapitre 3, le comportement de notre modèle de récepteur IQ numérique est analysé en le comparant avec un récepteur de calibration (R&S EVS300) à l'aide de deux mesures de laboratoire. La première mesure est effectuée dans la bande des fréquences VHF en traitant un multitrajet canonique. La seconde mesure est effectuée en utilisant des signaux en bande de base IQ générées à partir d'une simulation d'un scénario complexe. Les résultats des mesures montrent un bon accord entre les récepteurs. Une analyse critique de récepteur VOR est présentée dans le Chapitre 4. Pour le VORC, nous présentons une méthode permettant de déterminer le domaine de validité de l'expression statique d'Odunaiya afin de calculer l'erreur VOR. Pour le VORD, nous montrons que l'erreur VOR est sensible au type de démodulateur FM en développant et en validant une expression alternative de l'erreur Doppler analytique qui est cohérente avec notre démodulateur FM. Enfin, nous évaluons l'analyse de Bredemeyer qui indique que l'effet et des multitrajets sur le signal de référence doit être pris en compte dans le calcul de l'erreur VORD. Dans le Chapitre 5, nous proposons un modèle statistique d'erreur VOR dont les seuls paramètres sont les positions de l'avion et de l'éolienne et les autres paramètres suivent des distributions statistiques. Ce modèle permet de réduire le temps de simulation électromagnétique. Tout d'abord, nous déterminons les distributions statistiques associées aux paramètres multitrajets. Ensuite, la distribution statistique associée à l'erreur VOR est déduite. Enfin, nous effectuons des simulations de Monte Carlo pour évaluer les paramètres des distributions statistiques
The implementation of wind turbines close to VHF Omnidirectional Range (VOR) systems is an important concern for civil aviation. The wind turbines constitute a source of multipath that can yield bearing errors in the azimuth estimated by aircraft receivers. In the literature, the bearing error is computed from the multipath characteristics by means of the analytic expression proposed by Odunaiya and Quinet. In this PhD thesis, we have developed a digital IQ receiver model which can reproduce the response of a VOR receiver when the multipath change in time along a realistic aircraft trajectory. In Chapter 1, the basic principle of the Conventional VOR (CVOR) and Doppler VOR (DVOR) is pre-sented. The multipath phenomenon generated by the wind turbines in the vicinity of VOR stations is detailed by presenting its parameters and some associated modeling methods that exist in the literature. An overview of the VOR receivers is presented by describing the standard structure of a VOR receiver and the signal processing steps to extract the azimuth information. The analytical expressions proposed by Odunaiya and Quinet for the CVOR and DVOR systems are given and illustrated. In Chapter 2, we present our digital IQ receiver model. A time series generator along a realistic aircraft trajectory is presented. A sampling criterion is also proposed to be sure to capture all the multipath variations in space. The digital IQ receiver model is detailed by describing its components. In order to analyze the effect of multipath dynamics on the VOR receiver, an illustration test is given by comparing the receiver model response with the Odunaiya expression. In Chapter 3, the behavior of our digital IQ receiver model is analyzed by comparing with a calibration receiver (R&S EVS300) from two laboratory measurements. The first one is performed in the VHF frequency band for one canonical multipath. The second one is performed using baseband IQ signals in a complex scenario. The measurements results are shown a good agreement between receivers. A CVOR and DVOR analysis are given in Chapter 4. For CVOR, we present a method to determine the validity domain of the static Odunaiya expression for computing the bearing error. For DVOR, we show that the bearing error is sensitive to the type of FM demodulator by developing and validating an alternative expression of the analytic Doppler error which is consistent with our FM demodulator. Finally, we evaluate the analysis of Bredemeyer which indicates that the effect of multipath on the reference signal must be considered in the DVOR error computation. In Chapter 5, we propose a statistical model for the bearing error with which the only parameters are the aircraft and wind turbine positions and the other parameters follow statistical distributions. This model allows to reduce the electromagnetic simulation time. Firstly, we determine the statistical distributions associated with the multipath parameters. Secondly, the statistical distribution associated with the bearing error is deduced. Finally, we perform Monte Carlo simulations to assess the parameters of the statistical distributions

Ce travail vise à étendre les méthodes d'analyse d'images satellitaires de crues au-delà de la détection des limites d'inondation afin d'estimer des niveaux d'eau distribués dans l'espace et d'aider la modélisation hydraulique. Inspirée des travaux de Raclot (2003) sur photographies aériennes qui fournissent des incertitudes moyennes de ±20cm, la méthode d'estimation des niveaux d'eau utilise des images satellitaires RADAR de crue et un MNT fin. Elle repose sur 1) une phase de télédétection pour cartographier l'inondation et analyser la pertinence de ses limites pour l'estimation des niveaux d'eau, 2) une phase d'analyse spatiale dans laquelle les niveaux d'eau sont estimés par croisement entre les limites pertinentes et un MNT fin, puis contraints par le schéma de circulation des eaux. Les estimations de niveaux d'eau obtenues ont une incertitude moyenne de ±38cm pour une image RADARSAT-1 d'une crue de la Moselle (France, 1997). Des travaux de validation ont permis de calculer une RMSE de l'ordre de 13cm pour une image ENVISAT de l'Alzette (Luxembourg, 2003). Pour aider la modélisation hydraulique, la démarche proposée vise à réduire le phénomène d'équifinalité grâce aux images satellitaires. Pour cela, un calage "traditionnel" à partir d'hydrogrammes observés est complété par la comparaison entre résultats du modèle et surfaces inondées ou niveaux d'eau extraits des images. Pour cerner les incertitudes du calage, des simulations Monte-Carlo ont été mises en place. En perspective, la prévision de l'évolution d'une crue après acquisition d'une image devrait bénéficier de modèles mieux contraints grâce à l'utilisation des images comme condition initiale ou donnée de calage
The Thesis aims at deploying methods of flood satellite image analysis beyond 2D flood area delineation in order to estimate water levels and to help hydraulic modelling. Based on Raclot (2003) works with aerial photographs, which provide ±20cm mean uncertainty, the water level estimation method uses satellite RADAR images of flood and a fine DEM. The method is composed of two steps : i) flood cartography and analysis of image hydraulic relevance for water level estimation, ii) fusion between relevant information resulting from the image with a fine Digital Elevation Model (DEM) and constraining the water levels extracted from image by concepts of coherence with respect to a hydraulic flow through a plain. It provides water level estimations with a ±38cm mean uncertainty for a RADARSAT-1 image of a Mosel Flood (1997, France). In addition, validation works with an ENVISAT image of an Alzette river flood (Luxembourg, 2003) allowed us to calculate a Root Mean Square Error of 13 cm on the estimates of water levels. To help hydraulic modelling, the PhD aims at reducing equifinality thanks to satellite images of flood. To meet this aim, a "traditional" step of calibration thanks to hydrographs is completed by comparison between simulation results and flood extends or water levels extracted from images. To deals with calibration uncertainties, Monte-Carlo simulations have been used. In perspective, the results of the thesis imply great benefits for flood evolution forecasting after acquisition of flood satellite images because the use of these images as initial conditions or calibration data provide better-constrained models

La surverse d’une digue fluviale (levée) peut conduire au développement d’une brèche par érosion externe, suivie d’une rupture brutale de la digue. Cela provoquerait une vague de submersion dans la plaine protégée, laquelle peut présenter des enjeux humains, économiques et financiers majeurs. La gestion et la prévention du risque d’inondation passe par une détermination précise de l’aléa. Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir une estimation fiable du débit au travers de la brèche, donc du mécanisme de formation de la brèche et de sa dynamique d’expansion. Les approches existantes sont souvent adaptées pour les digues frontales (barrage et remblai en terre) soumises aux surverses. La transposition de ces approches pour les digues fluviales demeure peu fiable. Les processus qui régissent la formation des brèches dans les digues fluviales restent donc encore du domaine de la recherche. Un programme expérimental visant à améliorer notre compréhension des processus physiques qui régissent la rupture graduelle des digues fluviales par surverse a été mené conjointement par le Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (LNHE) de la division R&D d’EDF et le groupe de recherche Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) de l’Université de Liège. Les travaux ont été conduits sur deux dispositifs expérimentaux distincts, chacun constitué d’un canal principal et d’une plaine d’inondation, séparés par une digue fluviale. Nous nous sommes focalisés sur les surverses localisées de digues homogènes non-cohésives. Une métrologie adaptée, incluant la mesure détaillée de l’évolution de la géométrie de la brèche en continu, par une technique non intrusive (profilométrie laser), a été développée et exploitée dans les travaux de cette thèse. Les tests, réalisés sous conditions contrôlées, ont permis d’investiguer l’évolution de la bèche et des débits sortants pour différentes conditions hydrauliques (débits d’entrée dansle canal principal, régulation du débit sortant en aval du canal principal, confinement de la plaine inondable). Les effets des dimensions du canal principal, de la taille des sédiments et de la cohésion apparente ou encore de la mobilité des fonds au pied de la digue ont fait également l’objet d’étude. En exploitant les mesures, l’évolution des écoulements au voisinage de la brèche a été simulée avec le code de calcul bidimensionnel TELEMAC-2D, permettant d’évaluer les performances de ce code pour des cas d’écoulements, en rupture de digue fluviale, hautement transitoires et complexes. Le couplage avec le code morpho dynamique 2-D SISYPHE a permis d’apprécier l’apport d’une modélisation hydro-morpho dynamique détaillée à l’étude des brèches dans les digues fluviales
Overtopping of fluvial dikes (dykes or embankment levees) can promote external erosion, leading to the initiation of breaching and potentially brutal dike failure and inundation of the protected area. This can generate major human, economic, and financial losses. Flood risk management and prevention require precise hazard quantification. Accurate estimate of the flow through the breach is paramount, for which a precise understanding of the breach formation and expansion is required. Existing methods are often the result of investigations conducted on overtopping of frontal dikes (embankment dams). The application of such approaches to fluvial dikes is not reliable and processes underpinning breach expansion are still under research. An innovative experimental program was conducted to fill this gap by investigating the physical processes involved in overtopping induced fluvial dike gradual breaching. Experiments were conducted in the framework of collaboration between the National Laboratory for Hydraulics and Environment (LNHE) of the R&D division of EDF and the research team Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) of University of Liège. Experiments were conducted on two distinct experimental setups, each consisting of a main channel and floodplain area separated by an erodible fluvial dike. The focus was made on overtopping induced spatial erosion of homogenous, non-cohesive dikes. Measurements included continuous scanning of the dike geometry using a non-intrusive method (Laser Profilometry Technique), which was designed and developed specifically for the present works. Tests conducted under controlled flow and dike configurations allowed assessing the effects of channel inflow discharge, downstream channel regulation system, and floodplain confinement on the breach development and outflow. Effects of main channel size, dike material size, apparent cohesion, and bottom erodibility were studied as well. Using the experimental data, the flow features near the breach area was simulated using the two-dimensional depth-averaged hydrodynamic code TELEMAC-2D, which allowed assessing the performance of the code for highly transient and complex flows such as involved in dike breaching. Coupling TELEMAC-2D with the morphodynamic model SISYPHE enabled investigating the interest of a detailed hydro-morphodynamic modeling for fluvial dike breaching studies

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) issue du partenariat entre le laboratoire Roberval de l'Université de Technologie de Compiègne et l'entreprise HYDRO LEDUC. Cette dernière fabrique et conçoit des composants hydrauliques tels que des pompes et moteurs à pistons, des accumulateurs, des vérins, mais aussi des outils spécifiques destinés à des applications diverses et variées. La discipline de l'hydraulique de puissance est omniprésente dans de nombreuses applications industrielle. Elle constitue une solution incontournable pour toutes les utilisations qui nécessitent des puissances élevées. Elle touche ainsi de nombreux domaines d'activité tels que les transports, l'aéronautique, les machines-outils, le BTP et bien d'autres. Les circuits hydrauliques, que ce soit en termes d'entrainement ou de contrôle, présentent de nombreux avantages. IIS permettent entre autre de transmettre des efforts considérables, garantissent un contrôle précis des récepteurs qu'ils soient linéaires ou rotatifs, et ont une durée de vie élevée. Les pompes hydrauliques sont le véritable cœur de tous les circuits hydrauliques. Dotées d'une puissance massique inégalable, elles sont capables de travailler à des hautes pressions tout en conservant un haut rendement global. Les contraintes environnementales ainsi que l'augmentation du prix de l'énergie font croître la demande en composants toujours plus performants. Afin de rester compétitif, les fabricants sont contraints de répondre à ces exigences tout en contrôlant leurs coûts de développement et production. La méthode conventionnelle d'amélioration des produits basée sur des cycles essais/erreurs est une démarche financièrement coûteuse et chronophage. Les vingt dernières années ont vu la puissance de calcul des ordinateurs croître de manière exponentielle, faisant de la simulation numérique un véritable outil de compréhension des phénomènes physiques et d'amélioration des produits. L'enjeu de notre travail consiste à s'approprier et à analyser les multiples données et savoirs théoriques issues de nombreuses années de travaux de recherche. A partir de ce socle de connaissances, l'objectif est de mettre au point une méthode de conception mettant en oeuvre la démarche des plans d'expériences et reposant sur la modélisation ainsi que sur la simulation dans la conception intégrée de composants hydrauliques. Cette dernière a été appliquée à une pompe à pistons axiaux à cylindrée variable. En effet, associée à des stratégies de conception dûment établies, la simulation numérique permet de réduire considérablement les temps de développement et d'amélioration des produits tout en diminuant de manière drastique le nombre d'essais expérimentaux
This thesis has been achieved as part of the partnership between HYDRO LEDUC company and Roberval laboratory located at the "Université de Technologie de Compiègne". HYDRO LEDUC designs and makes hydraulic components such as piston pumps and motors, accumulators, cylinders and specific tools reserved for varied applications. A large amount of applications uses fluid power transmission. Indeed, because of its high power density, hydraulic solutions are unavoidable. Thus, this latter is present in various fields such as transport, aeronautical, machine tool, building industry and many others. Hydraulic circuits allow delivering considerable efforts. They enable a very accurate control of receptors and ensure a high life time to systems and components. Hydraulic pumps can be considered as the heart of every hydraulic systems. Their matchless high power density makes them to perform at high pressure while keeping a high efficiency level. Environment constraints, energy cost rise and global market have led manufacturers to make products more efficient while decreasing their manufacturing and development costs. Conventional design methodology relies on test/error cycles, which is a development strategy that can be expensive and time consuming. Computing power of computers have been increasing sharply over the last 20 years. In that sense, numerical simulation has become the mainstream in terms of design, research and development and physical analysis. The objective of our work is to gather, and analyse data and theoretical knowledge stem from many years of research investigations. From this point, the second goal of our work is to choose and develop a design strategy, which employs Design of Experiments method, and relying on numerical modelling and simulation applied to hydraulic components. This latter has been applied to a variable displacement axial piston pump. Hence, performing a design strategy that integrates Design of Experiments, numerical simulation and modelling for hydraulic components leads to reduce considerably the time and the cost of the design process

Pour une meilleure gestion de l'eau, la Directive Cadre sur l'Eau requiert la prise en compte des relations entre les masses d'eau superficielles et souterraines. Dans ce cadre, la dynamique des échanges entre eaux de surface et eaux souterraines est étudiée, pour un aquifère alluvial du Rhône. Deux approches sont utilisées: une analyse des séries temporelles de niveaux de nappes et de rivières, à l'aide de techniques de traitement du signal, et des modèles d'écoulements numériques, déterministes, à base physique. Ces techniques sont mises en œuvre sur un secteur (Péage-de-Roussillon) à forts enjeux socio-économiques pour l'usage de la ressource en eau. Les résultats sont analysés du point de vue de leurs complémentarités.Une analyse en composantes principales, à partir des signaux piézométriques, a montré que les fluctuations de niveaux du Rhône expliquent la majeure partie des variations de niveau de la nappe. Les analyses corrélatoires et spectrales, ont permis de caractériser la relation existant entre les niveaux du Rhône et de la nappe. Des comportements particuliers de l'hydrosystème ont été identifiés : colmatage du fond des cours d'eau, écoulements transverses aux cours d'eau,.... Ces comportements ont ensuite pu être étudiés, plus en détail, à l'aide d'un modèle hydrodynamique de la nappe qui intègre un module de calcul des écoulements surfaciques. Le modèle permet également de quantifier les flux échangés entre la nappe et le cours d'eau.

Cette thèse vise à formuler des méthodes innovantes de quantification d'incertitude (UQ) à la fois pour l'optimisation robuste (RO) et l'optimisation robuste et fiable (RBDO). L’application visée est l’optimisation des turbines supersoniques pour les Cycles Organiques de Rankine (ORC).Les sources d'énergie typiques des systèmes d'alimentation ORC sont caractérisées par une source de chaleur et des conditions thermodynamiques entrée/sortie de turbine variables. L'utilisation de composés organiques, généralement de masse moléculaire élevée, conduit à des configurations de turbines sujettes à des écoulements supersoniques et des chocs, dont l'intensité augmente dans les conditions off-design; ces caractéristiques dépendent également de la forme locale de la pâle, qui peut être influencée par la variabilité géométrique induite par les procédures de fabrication. Il existe un consensus sur la nécessité d’inclure ces incertitudes dans la conception, nécessitant ainsi des méthodes UQ et un outil permettant l'optimisation de form adapté.Ce travail est décomposé en deux parties principales. La première partie aborde le problème de l’estimation des événements rares en proposant deux méthodes originales pour l'estimation de probabilité de défaillance (metaAL-OIS et eAK-MCS) et un pour le calcul quantile (QeAK-MCS). Les trois méthodes reposent sur des stratégies d’adaptation basées sur des métamodèles (Kriging), visant à affiner directement la région dite Limit-State-Surface (LSS), contrairement aux methodes de type Subset Simulation (SS). En effet, ces dernières considèrent différents seuils intermédiaires associés à des LSSs devant être raffinés. Cette propriété de raffinement direct est cruciale, car elle permet la compatibilité de couplage à des méthodes RBDO existantes.En particulier, les algorithmes proposés ne sont pas soumis à des hypothèses restrictives sur le LSS (contrairement aux méthodes de type FORM/SORM), tel que le nombre de modes de défaillance, cependant doivent être formulés dans l’espace standard. Les méthodes eAK-MCS et QeAK-MCS sont dérivées de la méthode AK-MCS, et d'un échantillonnage adaptatif et parallèle basé sur des algorithmes de type K-Means pondéré. MetaAL-OIS présente une stratégie de raffinement séquentiel plus élaborée basée sur des échantillons MCMC tirés à partir d'une densité d'échantillonage d'importance (ISD) quasi optimale. Par ailleurs, il propose la construction d’une ISD de type mélange de gaussiennes, permettant l’estimation précise de petites probabilités de défaillance lorsqu’un grand nombre d'échantillons (plusieurs millions) est disponible, comme alternative au SS. Les trois méthodes sont très performantes pour des exemples analytiques 2D à 8D classiques, tirés de la littérature sur la fiabilité des structures, certaines présentant plusieurs modes de défaillance, et tous caractérisés par une très faible probabilité de défaillance/niveau de quantile. Des estimations précises sont obtenues pour les cas considérés en un nombre raisonnable d'appels à la fonction de performance
This thesis aims to formulate innovative Uncertainty Quantification (UQ) methods in both Robust Optimization (RO) and Reliability-Based Design Optimization (RBDO) problems. The targeted application is the optimization of supersonic turbines used in Organic Rankine Cycle (ORC) power systems.Typical energy sources for ORC power systems feature variable heat load and turbine inlet/outlet thermodynamic conditions. The use of organic compounds with a heavy molecular weight typically leads to supersonic turbine configurations featuring supersonic flows and shocks, which grow in relevance in the aforementioned off-design conditions; these features also depend strongly on the local blade shape, which can be influenced by the geometric tolerances of the blade manufacturing. A consensus exists about the necessity to include these uncertainties in the design process, so requiring fast UQ methods and a comprehensive tool for performing shape optimization efficiently.This work is decomposed in two main parts. The first one addresses the problem of rare events estimation, proposing two original methods for failure probability (metaAL-OIS and eAK-MCS) and one for quantile computation (QeAK-MCS). The three methods rely on surrogate-based (Kriging) adaptive strategies, aiming at refining the so-called Limit-State Surface (LSS) directly, unlike Subset Simulation (SS) derived methods. Indeed, the latter consider intermediate threshold associated with intermediate LSSs to be refined. This direct refinement property is of crucial importance since it enables the adaptability of the developed methods for RBDO algorithms. Note that the proposed algorithms are not subject to restrictive assumptions on the LSS (unlike the well-known FORM/SORM), such as the number of failure modes, however need to be formulated in the Standard Space. The eAK-MCS and QeAK-MCS methods are derived from the AK-MCS method and inherit a parallel adaptive sampling based on weighed K-Means. MetaAL-OIS features a more elaborate sequential refinement strategy based on MCMC samples drawn from a quasi-optimal ISD. It additionally proposes the construction of a Gaussian mixture ISD, permitting the accurate estimation of small failure probabilities when a large number of evaluations (several millions) is tractable, as an alternative to SS. The three methods are shown to perform very well for 2D to 8D analytical examples popular in structural reliability literature, some featuring several failure modes, all subject to very small failure probability/quantile level. Accurate estimations are performed in the cases considered using a reasonable number of calls to the performance function.The second part of this work tackles original Robust Optimization (RO) methods applied to the Shape Design of a supersonic ORC Turbine cascade. A comprehensive Uncertainty Quantification (UQ) analysis accounting for operational, fluid parameters and geometric (aleatoric) uncertainties is illustrated, permitting to provide a general overview over the impact of multiple effects and constitutes a preliminary study necessary for RO. Then, several mono-objective RO formulations under a probabilistic constraint are considered in this work, including the minimization of the mean or a high quantile of the Objective Function. A critical assessment of the (Robust) Optimal designs is finally investigated

Les travaux de cette thèse contribuent à la vérification et à la validation d'un modèle diphasique instationnaire, le mo- dèle bifluide de Baer-Nunziato, pour modéliser les phénomènes de transitoires hydrauliques tels que les coups de bélier et les marteaux d'eau, qui peuvent apparaître dans les réseaux de tuyauteries industrielles. Il s'agit d'abord de modéliser les écoulements de transitoires hydrauliques avec le modèle bifluide en représentation eulérienne, puis d'étendre ce modèle en formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) pour prendre en compte l'interaction fluide-structure (IFS). Pour mo- déliser les écoulements, des lois de fermetures du modèle bifluide concernant les termes interfaciaux, les termes sources et les lois thermodynamiques ont d'abord été étudiées. Ensuite, le système complet a été simulé avec une méthode à pas fractionnaires qui admet deux étapes, l'une pour la résolution de la partie convective, l'autre pour la prise en compte des termes sources. Pour la partie convective, le schéma de Rusanov a d'abord été vérifié. Des problèmes de stabilité ayant été observés, un nouveau schéma plus stable à pas fractionnaires a été proposé et vérifié. En ce qui concerne les termes sources, quatre schémas de relaxation non-instantanés qui représentent respectivement le retour à l'équilibre de pression, les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse, sont appliqués successivement. Ces schémas ont été étendus aux lois thermodynamiques 'Stiffened Gas généralisées' afin de représenter le changement de phase eau-vapeur. Après avoir retrouvé certains phénomènes typiques associés aux écoulements de transitoires hydrauliques le modèle bi- fluide a été confronté aux résultats de l'expérience de Simpson, qui est un cas classique de coup de bélier et à ceux de l'expérience Canon, dédiée à la décompression rapide d'un fluide à haute pression dans une tuyauterie. Par ailleurs, le modèle bifluide a été comparé avec deux modèles homogènes sur ces deux expériences. Enfin, une version ALE du mo- dèle bifluide a été mise en œuvre et vérifiée sur un cas de propagation d'ondes de pression dans une conduite flexible, en écoulement 'quasi-monophasique', ou diphasique. La variation de la célérité des ondes de pression dans le fluide liée au couplage entre le fluide et la structure a été bien retrouvée. La validation a été effectuée sur une expérience qui étudie la réponse d'une tuyauterie remplie d'eau soumise à un pic de pression violent (140 bar). Les simulations sont en bon accord avec les données expérimentales.

L'objectif de cette thèse est de démontrer comment faire une analyse théorique de fatigue et de mécanique de la rupture d'une structure éolienne à l'axe horizontal. La chaîne des calculs nécessaires pour atteindre cet objectif s'avère être particulièrement longue pour deux raisons : d'abord, la vitesse du vent varie aléatoirement avec le temps ; deuxièmement, l'amplitude de vibration du mât est amplifié en raison des ses fréquences naturelles de vibration. Un chapitre entier est consacré à la modélisation de la vitesse du vent dans l'espace et dans le temps. Ce même chapitre démontre comment synthétiser un signal aléatoire à partir d'une fonction de densité spectrale de puissance (DSP). La force axiale du rotor est le chargement le plus important sur une structure éolienne à l'axe horizontal. Cette force a un rapport non linéaire avec la vitesse du vent. Cela implique la nécessité de déterminer la DSP de la force axiale à partir de son signal, en se servant d'une technique d'estimation spectrale. La méthode Thomson Multitaper s'est avéré la plus satisfaisante pour cette application. La DSP des déplacements du mât est déterminée en associant la réceptance du système structurel avec la DSP de la force qui représente tous les chargements. Un signal de contrainte peut finalement être synthétisé à partir de sa DSP. La technique de comptage de cycles de chargement connue sous le nom de rainflow est abordée et appliquée. Le fait que le signal de contraintes a une amplitude variable implique la nécessité d'employer une technique plus avancée de simulation de propagation de fissures. La technique choisie pour cette thèse est connue sous le nom de strip-yield (bande d'écoulement)
The objective of this thesis is to demonstrate how to do theoretical analyses of fatigue and fracture mechanics in a structure for horizontal axis wind turbine. The chain of calculations required to reach this objective is particularly long for two reasons : firstly, the wind speed varies randomly with time , secondly, the vibration amplitude of the mast is amplified due to its natural frequencies of vibration. A whole chapter is dedicated to modeling the wind speed in space and time. The same chapter shows how to synthesize a random signal by employing a power spectral density function (PSD). The axial force of the rotor is the most important loading on a structure for horizontal axis wind turbine. This force has a non linear relation with the wind speed. This implies the need to determine the PSD of the axial force from its signal, by employing a spectral estimation method. The Thomson Multitaper method revealed to be the most satisfactory for this application. The PSD of displacement of the mast is determined by associating the receptance of the structural system and the PSD of the force representing all loadings. Finally, a signal of stress can be synthesized from its PSD. The fatigue cycle counting method known as rainflow is discussed and employed. The fact that the signal of stress has a variable amplitude implies the need of a more sophisticated method to simulate a crack propagation. The method chosen in this thesis is called strip-yield

L'importance des enjeux liés à la qualité et à la connaissance de l'eau souterraine nécessite de caractériser le fonctionnement des nappes d’eaux souterraines. En hydrogéologie, les méthodes qui permettent de réaliser le modèle conceptuel d’un aquifère reposent généralement sur l’observation et la caractérisation du milieu, à partir notamment de la mise en place de forages et la réalisation de pompages d’essai. Cependant, ces méthodes présentent des limites pour caractériser la variabilité spatiale des aquifères hétérogènes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement d’approches expérimentales qui utilisent des informations issues de traçage thermique ou salin pour la caractérisation des paramètres hydrauliques des milieux hétérogènes poreux. Ce choix expérimental a été justifié 1) par les difficultés de prise en compte des hétérogénéités hydrauliques dans les milieux poreux naturels et 2) pour une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu en situation contrôlée. Dans les travaux réalisés, nous avons tout d’abord proposé d’utiliser des mesures thermiques ponctuelles, puis obtenues dans l'infrarouge thermique pour estimer les paramètres hydrauliques en milieux poreux hétérogènes. Cependant, les méthodes de traçage thermiques étant limitées dans les zones faiblement perméables, nous avons fait évoluer notre approche en la combinant avec une méthode géophysique (Potentiel Spontané). Cette méthode, sensible aux écoulements des fluides et aux processus thermoélectrique et électrochimique, nous a permis de collecter des données temporelles intéressantes pour surveiller des variations thermiques ou saline provoquées dans les milieux. Les mesures obtenues ont été par la suite utilisées dans des algorithmes d’inversion pour estimer les distributions spatiales des propriétés hydrauliques. Les résultats obtenus nous ont permis de montrer l’efficacité de ces approches pour la caractérisation des milieux hétérogènes et par conséquent pour la modélisation des écoulements des fluides dans ces milieux
The importance of issues related to the quality of groundwater requires characterizing the operation of groundwater aquifers. Hydrogeological methods used to carry out conceptual model of an aquifer are generally based on the observation and characterization of the medium, by using boreholes and carrying out of pumping test operations. However, these methods present some limitations in characterizing the spatial variability of heterogeneous aquifers. In this thesis, we develop experimental approaches that use information from thermal or saline tracing for the characterization of hydraulic parameters in heterogeneous porous media. The choice of using experimental approaches was justified 1) by difficulties of taking into account hydraulic heterogeneities in natural porous media and 2) for a better understanding of the phenomena involved in a controlled situation. In this work, we first proposed the use of punctual thermal measurements, then measurements obtained by using thermal infrared to estimate hydraulic parameters in heterogeneous porous media. However, as thermal tracing methods are limited in low permeability areas, we improved our approach by combining it with a geophysical method (Spontaneous Potential). This method, sensitive to fluid flows and thermoelectric and electrochemical processes, has allowed us to collect interesting temporal data to monitor thermal or saline variations in the media. The measurements obtained were then used in inversion algorithms to estimate the spatial distributions of hydraulic properties. The results obtained allowed to demonstrate the effectiveness of these approaches for the characterization of heterogeneous media and consequently for the modelling of fluid flows