UPThèses

Le développement de la technologie « piles à combustible » nécessite l'utilisation d'outils de diagnostic adéquats notamment pour le monitoring de l'état de santé des systèmes industriels (stacks) dans les conditions réelles de fonctionnement. L'utilisation des moyens traditionnels de diagnostic nécessite l'arrêt ou la perturbation du fonctionnement du système. Le travail de cette thèse vise le développement d'une approche innovante non intrusive pour le diagnostic des stacks PEM (Proton Exchange Membrane), basée sur la mesure des petites fluctuations électriques (bruits électrochimiques). Pour mesurer les bruits, un système d'acquisition des faibles signaux à haute fréquence a été utilisé sans filtrage analogique préalable. Ces mesures ont été dans le cadre du projet ANR « Propice » pour quatre campagnes de mesures avec la collaboration du FCLAB et du CEA LITEN. Les mesures des bruits électrochimiques, sur plusieurs semaines, ont permis de construire une base de données extrêmement riche. Pour traiter ces données, différents approches statistiques dans le domaine temporel, fréquentiel et tempo-fréquentiel ont été utilisés pour la génération de descripteurs fiables et robustes. Il a été démontré que la mesure des bruits permet d'obtenir une riche signature des stacks PEM dans un vaste domaine fréquentiel. Cette signature reflète les différents phénomènes physico-chimiques et est très sensible aux paramètres de fonctionnement du système. L'évolution de cette signature au court de temps peut être utilisée pour le diagnostic in-situ de d'état de santé des stacks commerciaux dans les conditions réelles de fonctionnement et pour le développement des moyens de pronostic.

Dans cette thèse, plusieurs concepts importants liés à la théorie de la réalisation des modèles linéaires à paramètres variants (LPV) sont étudiés. Tout d’abord, nous abordons le problème de l’identifiabilité des modèles LPV affines (ALPV). Une nouvelle condition suffisante et nécessaire est introduite afin de garantir l’identifiabilité structurelle pour les paramétrages ALPV. L’identifiabilité de cette classe de paramétrages est liée à l’absence d’isomorphismes liant deux représentations d’état LPV lorsque deux modèles LPV correspondant à différentes valeurs des variables de séquencement sont considérés. Nous présentons ainsi une condition suffisante et nécessaire pour l’identifiabilité structurelle locale, et une condition suffisante pour l’identifiabilité structurelle (globale) qui sont toutes deux fonction du rang d’une matrice définie par l’utilisateur. Ces dernières conditions permettent la vérification de l’identifiabilité structurelle des modèles ALPV. Ensuite, étant donné que les techniques d’identification dites locales sont parfois inévitables, nous fournissons une expression analytique de la borne supérieure de l’erreur de comportements entrées-sorties de deux modèles LPV équivalents localement. Cette erreur se révèle être une fonction de (i) la vitesse de changement du signal de séquencement et (ii) l’écart entre les bases cohérentes de deux modèles LPV. En particulier, la différence entre les sorties des deux modèles peut être arbitrairement réduite en choisissant un signal de séquencement qui varie assez lentement. Enfin, nous présentons et étudions des propriétés importantes de la transformation des représentations d’état ALPV en Représentations Linéaires Fractionnelles (LFR). Plus précisément, nous montrons que (i) les représentations ALPV minimales conduisent à des LFR minimales, et vice versa, (ii) le comportement entrée-sortie de la représentation ALPV détermine de manière unique le comportement entrée-sortie de la LFR résultante, (iii) les modèles ALPV structurellement identifiables fournissent des LFRs structurellement identifiables et vice versa. Nous caractérisons ensuite les LFRs qui correspondent á des modèles ALPV équivalents basés sur leurs applications entrées-sorties. Comme illustré tout au long du manuscrit, ces résultats ont des conséquences importantes pour l’identification et la commande des systèmes LPV.

L'étude expérimentale de la propagation et du rayonnement multimodal en guide large est abordée via des mesures par antennerie microphonique de la réflexion des modes pour différentes extrémités. Le banc expérimental est constitué d'un guide large fermé à une extrémité et débouchant sur différentes terminaisons à l'autre extrémité ; en paroi du guide sont branchées une source acoustique et deux antennes microphoniques. Chaque composant du banc est étudié pour améliorer les résultats de mesure. Une méthode de vérification des performances des haut-parleurs constituant la source et une méthode de pilotage de la source acoustique sont proposées pour favoriser la génération des différents modes de propagation de l'onde. Une méthode de calibration in-situ pour l'antenne est développée pour les différents modes. Un calcul des incertitudes pour l'estimation du coefficient de réflexion est proposé. Enfin les mesures sont effectuées pour différentes extrémités de guide : avec une bride, sans épaisseur, avec un écran infini. Le principe de la méthode de mesure de la réflexion des différents modes consiste à appliquer la méthode du doublet microphonique adaptée aux signaux issus de la décomposition modale obtenue au moyen de deux antennes de microphones. Les résultats de mesure pour le mode plan sont avantageusement comparés aux résultats théoriques issus de la littérature. Les résultats pour les premiers modes supérieurs montrent l'aptitude du système à extraire le coefficient de réflexion en module et en phase suffisamment précisément pour distinguer l'effet de la condition de rayonnement.

Dans ce manuscrit, une attention particulière est accordée à l’identification des systèmes dynamiques dont le comportement est régi par des équations aux dérivées partielles (EDP). Afin d’atteindre cet objectif, deux algorithmes d’identification sont proposés. Le premier est un algorithme à erreur d’équation basé sur les moments partiels réinitialisés qui permettent de faire disparaitre les termes de dérivées partielles. Les paramètres du modèle obtenu peuvent alors être estimés par des approches de type moindres carrés. Cette méthode nécessite le choix d’un paramètre de synthèse ainsi qu’un nombre important de capteurs répartis sur toute la géométrie du système étudié. Une étude du choix optimal du paramètre de synthèse ainsi que de l’influence du nombre et de la répartition des capteurs est menée sur un exemple numérique. Le second algorithme est propre aux EDP pouvant être décrites par un modèle de Roesser. Dans ce cas, une formulation linéaire fractionnaire est proposée et un algorithme à erreur de sortie est mis en œuvre pour estimer les paramètres du modèle. L’initialisation de cet algorithme est réalisée grâce aux résultats fournis par le premier algorithme. Finalement, l’efficacité des deux approches proposées est montrée au travers un exemple numérique d’échangeur de chaleur à co-courant.

L'équipe de François Jérôme (IC2MP, UMR7285) a développé des procédés innovants et originaux dans les prétraitements de la biomasse lignocellulosique. Ces travaux fondamentaux sont basés sur l'utilisation de plasma atmosphérique non-thermique afin de dépolymériser des biopolymères (cellulose, amidon, inuline) de manière sélective. L'avantage de ce prétraitement physique est son absence de solvant et de catalyseur permettant ainsi de pallier les problèmes de purification ou de dilution habituellement rencontrés. On peut également citer la faible consommation énergétique. Ce prétraitement plasma permet d'accroitre l'accessibilité des biopolymères aux espèces réactives (lors d'une hydrolyse par exemple) et d'obtenir des rendements supérieurs aux procédés chimiques ou enzymatiques classiques. L'objectif de cette thèse est de comprendre quelles sont les bonnes conditions pour obtenir une cellulose moins réfractaire aux traitements chimiques et quel mécanisme est mis en jeu lors du traitement par plasma. Quels impacts ont les espèces qui interagissent avec la surface du biopolymère, comment elles diffusent au cœur des matrices polymériques ou encore quel est l'impact de la nature chimique du/des biopolymère(s) (cristallinité, type de liaisons, nature des saccharides…). Par la suite, une étude sur la réactivité de la cellulose traitée par plasma a été réalisée en se concentrant plus particulièrement sur les rendements en glucose suite à une hydrolyse acide en milieu dilué. Cela nous a permis d'évaluer l'impact des traitements physiques (plasma, broyage ou les deux) sur la réactivité de la cellulose. De plus, un panel d'analyses a été réalisé et nous a permis d'en déduire un mécanisme réactionnel possible pour le traitement de la cellulose par plasma.

Les marais de l'Ouest ont été gagnés sur les sédiments fluvio-marins par poldérisation débutée dès le moyen âge. Les aménagements hydrauliques avaient, initialement, des objectifs sanitaires et d'élevage. A partir des endiguements, ils ont divisé les territoires en marais mouillés et marais desséchés. Depuis les années 1970 le développement des cultures intensives de céréales a nécessité un rabaissement complémentaire de la nappe par drainage en partie pour augmenter la désalinisation de surface et limiter l’engorgement des sols. Néanmoins, ces territoires restent caractérisés par des nappes proches de la surface. En conséquence les profils hydriques vont être gouvernés par les conditions météorologiques y compris l'évapotranspiration, la pluviométrie, mais également par les remontées capillaires issues d'une nappe salée. D'autre par la nature argileuse des sols et ses propriétés de retrait conditionnent énormément le fonctionnement hydrodynamique et les évolutions de structure. La première partie du travail a été de suivre les évolutions des profils hydriques et de salinité en parcelles non drainées (prairies) et en parcelles drainées (Maïs, Blé, Tournesol). Ces suivis ont été complétés par les mesures des niveaux de nappes et par des mesures tensiométriques via des bougies poreuses implantées à différentes profondeurs. L'objectif final a été de calculer et modéliser les profils de réserve utile (RU) et de RU "résiduelle" utilisable par les plantes. Dans ces systèmes alimentés par les remontées capillaires, le réseau racinaire puise l'eau dans la zone non saturée de surface (vadose) puis dans la zone saturée sous-jacente. La teneur en eau caractéristique de l'interface zone non saturée - zone saturée a été déterminée par analogie entre les chemins d'état de la matrice argileuse le long de sa courbe de retrait et du sol le long de sa courbe de compaction. Les profils de RU résiduelle utilisable par les plantes ont été calculés à partir des profils de teneurs en eau puis comparés aux profils de RU obtenus via les données de station météorologique. Ces profils de RU résiduelle ont pu être écrits sous forme d'équation polynomiale du second degré puis modélisés. Dans cet environnement alimenté par les remontées capillaires, ces profils de RU résiduelles peuvent être modélisés à partir d'un paramètre facilement mesurable en surface qui prend en compte la structure du sol et les conditions météorologique : soit la teneur en eau à 10 cm de profondeur. Cette modélisation reste suffisamment réaliste pour être utilisée comme un outil prédictif face à la pédodiversité et/ou les rendements de culture. A ce travail s'ajoute deux études préliminaires : - les mesures des conductivités thermiques effectives de ces sols par la méthode du fil chaud et leurs modélisations dans les systèmes biphasés : eau - argile et air - argile, mais également pour les systèmes triphasés non saturés : eau - air - argile. Les perspectives sont la modélisation des transferts thermiques et hydriques dans le sol à partir de la surface, - et l'élaboration d'un protocole d'imprégnation-polymérisation des sols argileux humides par des résines de type HEMA. Cette imprégnation permet d'envisager la confection de lames minces dans le matériau argileux induré avec conservation de sa structure initiale humide. Les perspectives sont la pétrographie quantitative à l'interface racine - sol le long de profils verticaux dans les environnements argileux à degrés de saturation et structure évolutives.

Ce travail concerne les fluctuations électrochimiques de tension des batteries Li-ion, communément appelées bruit électrochimique. L'idée est d'utiliser la mesure de bruit électrochimique en fonctionnement pour générer, via du traitement de signal, des descripteurs statistiques permettant de caractériser le SOH (état de santé). L'objectif consiste à développer une méthode innovante de diagnostic non intrusif permettant de compléter les méthodes traditionnelles (impédancemétrie,...). DCNS St-Tropez a participé et compte développer cette approche dans le cadre d'une application d'alimentation d'armes sous-marines, qui nécessite un très haut niveau de sécurité et de fiabilité. La mesure de bruit des batteries Li-ion est difficile à cause des très bas niveaux du signal et nécessite des appareils performants. Nous avons installé une chaîne de mesure permettant d'acquérir les fluctuations de tension en décharge. Puis nous avons extrait le bruit grâce à une méthode numérique robuste. La tension de décharge est non-stationnaire, ce qui nécessite un traitement spécifique. L'analyse à court-terme par les moments d'ordre 2, 3 et 4 montre qu'il y a trois zones dans lesquelles les bruits sont complètement différents. Le milieu de la décharge présente une répartition uniforme caractérisé par une forme en V (minimum à SOC = 55%), des structures cohérentes tempo-fréquentielles sur les bords révélées par l'analyse en ondelettes. Notre modèle permet de trouver les sources de bruit prépondérantes et d'identifier les paramètres responsables du bruit électrochimique. Les applications futures concernent la caractérisation du vieillissement et la qualité de fabrication des batteries.

La soufflante de la nouvelle génération de moteurs Snecma est caractérisée par des pales de rotor aux bords de fuite épais, ainsi que par un OGV hétérogène intégrant les bras supports. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’influence de ces innovations technologiques sur la génération des sources et le rayonnement sonore dans la manche secondaire liés à l’interaction du sillage du rotor avec l’OGV. Ce mécanisme est principalement responsable des émissions tonales et à large bande qui sont traitées indépendamment. D’une part, une simulation URANS de l’étage rotor-stator fournit les sources déterministes sur le stator hétérogène ainsi que le champ sonore dans la manche traversée par les bras supports. L’extension de modèles acoustiques permet d’accéder au spectre de raies obtenu soit en propageant les sources par un modèle fondé sur le principe de l’analogie acoustique, soit directement à partir du champ sonore issu de la CFD. Il est alors montré que l’hétérogénéité du stator induit l’émergence de la raie du fondamental, et que les bras supports engendrent une onde stationnaire dans la manche secondaire. D’autre part, la simulation d’un canal complet du rotor avec une approche ZDES permet d’accéder aux perturbations turbulentes du sillage. Ces dernières alimentent un code acoustique fondé sur la théorie d’Amiet permettant de prévoir le bruit à large bande rayonné en conduit. Bien que plus coûteuse, la ZDES permet de s’affranchir des hypothèses restrictives et du calibrage délicat des modèles de turbulence homogène isotrope en fournissant des données directement exploitables, conduisant ainsi à des estimations plus précises. L’ensemble des simulations numériques et des prévisions acoustiques est validé grâce aux mesures issues d’une campagne d’essais au banc RACE.

Ce travail de thèse s’est inséré dans la problématique du stockage de déchets radioactifs en formation argileuse profonde. Il porte en particulier sur l’étude de la fissuration hydrique induite par la désaturation et resaturation de la roche en paroi des galeries de la station expérimentale de Tournemire (Averyon, France). Cette étude a visé à identifier les déterminismes microstructuraux et minéralogiques de la fissuration hydrique des argilites de Tournemire, en couplant au laboratoire la Corrélation d’Images Numériques (CIN) et la Microscopie Electronique à Balayage (MEB). Deux échantillons d’argilite de Tournemire ont été soumis à des variations d’humidités différentes par chocs et par paliers progressifs. La CIN a permis de mettre en évidence l’influence de l’humidité et de la teneur en eau sur l’amplitude de l’ouverture des fissures et des déformations à différentes échelles. Cette étude a également permis de mettre en lumière l’influence du chargement hydrique sur l’organisation des réseaux de fractures. Une cartographie minéralogique sur un champ plurimillimétrique en haute résolution a été également mise en œuvre au MEB sur ces deux échantillons d’argilites. Cette cartographie a permis d’apporter des données qualitatives et quantitatives sur l’anisotropie microstructurale et minéralogique de la roche argileuse et de proposer une estimation de la surface élémentaire représentative du système grain/matrice pour des zones à tendance argileuse. Le couplage de la CIN avec le MEB a révélé l’importance des hétérogénéités microstructurales relatives à la proportion, taille, élongation et orientation moyennes des inclusions rigides présentes dans la matrice argileuse de la roche, sur la localisation des fissures hydriques.

Ce mémoire porte sur l'étude d'un système de gestion d'énergie électrique dans un système multi-sources soumis à des perturbations exogènes. L'application visée est l'alimentation d'une propulsion hybride diesel/électrique équipée d'un système d'absorption des pulsations de couple. Les perturbations exogènes considérées peuvent être transitoires ou persistantes. Une perturbation transitoire correspond à une variation rapide du couple de charge, due par exemple à une accélération ou une décélération du véhicule. Une perturbation persistante provient du système de compensation des pulsations de couple générées par le moteur thermique. Le premier objectif du contrôle est de maintenir constante la tension du bus continu. Le deuxième objectif est d'absorber dans un système de stockage rapide constitué de super condensateur ces perturbations qui peuvent à terme provoquer une usure prématurée de la batterie. Le troisième objectif est de compenser l'auto-décharge dans le super condensateur en maintenant constante sa tension nominale. Les deux sources (batterie et super condensateur) sont reliées au bus continu par l'intermédiaire de deux convertisseurs boost DC/DC. La commande consiste à piloter les rapports cycliques de chaque convertisseur. C'est un système non linéaire où la commande est multiplicative de l'état. L'approche classique consistant à résoudre les équations Francis-Byrnes-Isidori ne s'applique pas directement dans ce cas où la sortie et la matrice d'interconnection dépendent de la commande. De plus, si cette approche est bien adaptée au rejet de perturbations persistantes, elle montre ces limites pour le rejet de perturbations non persistantes combiné à des objectifs de régulation. Notre approche a consisté à écrire le système sous un formalisme Port-Controlled Hamiltonian et à s'affranchir de la contrainte de la dépendance de la matrice d'interconnection avec la commande en utilisant la théorie des perturbations singulières. La commande du système dégénéré peut ensuite être calculée par une approche passive. Les performances de cette commande ont été testées en simulation et à l'aide d'un banc d'essai expérimental. Les résultats montrent l'efficacité du système d'absorption des différents types de perturbation tout en respectant les deux objectifs de régulation.