Dissertations / Theses on the topic 'Pompe de charge instable'

La récupération de l'énergie est le processus qui consiste à convertir l'énergie inutilisée présente dans notre environnement en énergie électrique utilisable pour alimenter un système électronique. Les récupérateurs d'énergie cinétique à transduction électrostatique (eKEH) utilisent l'énergie cinétique présente dans l’environnement, qui provient d'un objet en mouvement ou de vibrations, afin de la convertir en énergie électrique. Le principe employé est basé sur un condensateur variable polarisé. En ajoutant une couche triboélectrique entre ses armatures et en créant un contact entre elles, un eKEH devient ce qui l’on appelle communément un nanogénérateur triboélectrique (TENG). Ce type de transducteur accumule des charges par contact dans la couche triboélectrique qui devient ainsi un électret dont le champs électrique semi-permanent généré permet une variation de la distribution des charges électriques dans les électrodes par induction électrostatique.La modification de l'architecture d'un TENG par l'ajout d'une troisième électrode permet de transformer un transducteur à capacité simple en un TENG à capacité double. Le fait de doubler l'élément de conversion dans un transducteur doit permettre d’augmenter la quantité d'énergie convertie. Le circuit électronique choisi pour redresser le signal obtenu en sortie du générateur est le doubleur de Bennet. L’absence de tension de saturation en sortie de ce circuit est une caractéristique particulière de cette pompe de charge dite instable. Elle se traduit par une augmentation exponentielle de la tension de sortie et des charges accumulées dans le condensateur de stockage qui augmentent (en théorie) de manière infinie. Cela signifie que la surface du cycle charge-tension aux bornes du TENG, et donc l’énergie convertie du domaine mécanique, augmente à chaque itération du cycle mécanique du transducteur.Cette thèse comprend l'analyse, la simulation et la démonstration expérimentale d’un doubleur de Bennet comportant deux capacités variables asymétriques incluant chacune une couche triboélectrique. Il est montré que les performances du système « double TENG » - « double Bennet » sont supérieures au doubleur de Bennet classique. L'étude analytique s'aligne sur les simulations. Le système a été testé expérimentalement. Il en est conclu que les résultats expérimentaux sont pertinents lorsqu'ils sont comparés aux performances du système classique d’un « TENG mono-capacitif » - « Bennet simple». Par rapport au doubleur de Bennet classique, le double Bennet atteint les mêmes niveaux de tension en moins de temps. Cela est dû à l'avantage du double condensateur TENG qui augmente le nombre de charges accumulées par cycle mécanique. L'analyse a montré que les deux condensateurs TENG sont co-dépendants et qu’ils s’influencent mutuellement lorsqu’ils sont mis en fonction.Le signal de sortie du double Bennet est caractérisé par des tensions élevées allant de plusieurs centaines à plusieurs milliers de volts. Pour abaisser la tension redressée en sortie à un niveau compatible avec une application commerciale, un convertisseur DC-DC de type Buck est implémenté. Celui-ci nécessite un interrupteur. Cette thèse propose et étudie l'utilisation d'un interrupteur haute-tension MEMS dit à micro-plasma dont la tension d’actionnement est définie par la loi de Paschen. Cette thèse se conclue par une étude théorique et expérimentale de cette loi à l'échelle micrométrique dans le but de proposer des tensions d’actionnement optimales pour une meilleure gestion de l'énergie captée
Energy harvesting is the process that involves converting otherwise unused energy present in our environment into usable electrical energy that can be used to power an electronic system. Electrostatic kinetic energy harvesters (eKEHs) utilize vastly present kinetic energy that originates either from an object in motion or vibrations and converts it into electrical energy. The employed principle is based on a polarized variable electrostatic capacitor. With an addition of a triboelectric layer between its plates and utilizing the triboelectrification effect, an eKEH is transformed into a triboelectric nanogenerator (TENG). This type of transducer accumulates charges by contact in the triboelectric layer which thus becomes an electret whose generated semi-permanent electric field allows a variation of the distribution of the electric charges in the electrodes by electrostatic induction.Altering the architecture of a TENG by adding the third electrode, a single-capacitive transducer is converted into a double-capacitive TENG. Doubling the conversion element in a transducer is expected to increase the amount of converted energy. Chosen electronics circuit to condition obtained signal from the generator is Bennet’s charge doubler. An increase without saturation point at the output of this circuit is the unique characteristic of this unstable charge pump. It reflects through an exponential increase of output voltage and a number of charges accumulated in the storage capacitor which increase (in theory) in an infinite way. This means that the surface of the charge-voltage cycle at the terminals of the TENG, and thus the converted energy of the mechanical domain, increases at each iteration of the mechanical cycle of the transducer.The scope of this thesis encompasses the simulation, analytical and experimental research of Bennet’s charge doubler with two asymmetric variable capacitors each containing a triboelectric layer. It is postulated that the performance of the "double TENG" - "double Bennet" system is superior to the classic Bennet’s double. The results of analytical and simulation analysis have shown that the expected behavior of this circuit aligns with hypothesized performance results. The system has been tested experimentally. It is concluded that the results of the constructed system are relevant when compared with the reported performance of the classic "single-capacitive TENG" - "Bennet’s doubler" system.When compared with classic Bennet’s doubler, double Bennet reaches the same voltage levels in less time. That is due to the advantage of double capacitive TENG which increases the number of accumulated charges per mechanical cycle. In analytical analysis, it was found that the two TENG capacitors are codependent and that in operation they affect one another.The output signal of double Bennet is characterized by high voltages ranging from a few hundreds of volts to a few kilovolts (kV). To reduce the rectified output voltage to a level compatible with a commercial application, a Buck DC-DC converter is implemented. This requires a switch. This thesis proposes and studies the use of a high-voltage MEMS micro-plasma switch whose actuation voltages is defined by Paschen’s law. Within the scope of this thesis, the theoretical and experimental studies of this law at the micrometer scale propose optimal actuation voltages for better management of the converted energy

This doctoral thesis is concerning the theoretical and experimental analysis of heat pumps. In the first section of this study a design tool for predicting steady-state cooling and heating performance of vapor compression refrigerating machines is developed. In order to achieve correct results, accurate thermodynamic models are implemented to predict heat transfer coefficients, pressure drops and refrigerant mass charge. The software has been firstly developed for charge inventory purpose, and, as a consequence, it also has the capability to predict performance in off-design conditions given a fixed refrigerant charge. Moreover it can be useful for the liquid receiver dimensioning in reversible heat pumps, or for subcooling degree optimization at the condensers. In the present work the methodologies used for the calculation of the performance of each component are presented. The second part of the work is concerning gas absorption heat pumps, working with the refrigerant mixture water-ammonia. A theoretical design procedure is carried out and again verified by means of experimental measurement on a prototype. The last part of the study is concerning the estimation of the possible advantages of combined heating plants including solar collectors, air source heat pump and a condensing boiler. The investigation is carried out in collaboration with the manufacturers of the machines, allowing to have precise information about all the components. Investigations are carried out to compare the proposed systems with a standard solution with a condensing boiler only. Three different locations are considered in the present study. Comparisons are made regarding primary energy consumption, equivalent CO2 emission, percentage of renewable energy used and possible economical saving. For this purpose TRNSYS-based approach is adopted. The whole heating plant and the building are modeled together. Each component performance was previously measured in order to tune the mathematical model to be used in TRNSYS. In particular, experimental measurements were performed on a test-plant, allowing to tune a model for the stratification of the real storage tank, and for its dynamic response. The estimation of the dynamic behavior, and thus the heating load of the considered building, is carried out by means of TRNSYS. Domestic Hot Water consumption is calculated as well.
Questa tesi di dottorato è incentrata sull’analisi teorica e sperimentale di macchine frigorifere e in particolare di pompe di calore. Nella prima parte si affronta il calcolo di progetto e di verifica di macchine frigorifere e dei loro componenti. Attraverso un’accurata modellizzazione dei dispositivi coinvolti e dello scambio termico si è giunti a sviluppare un software di calcolo completo, che permette di valutare il comportamento di questo tipo di macchine anche in punti di lavoro off-design. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata al calcolo della carica di refrigerante ottimale e agli effetti di accumulo di carica nel ricevitore di liquido con diverse condizioni al contorno. I risultati che si sono ottenuti sono stati verificati confrontando i risultati teorici con prove sperimentali effettuate ad hoc su un prototipo appositamente predisposto e su varie altre produzioni di serie presso la sala prove di Hiref S.p.A. La seconda sezione affronta lo studio delle pompe di calore ad assorbimento ad acqua-ammoniaca. Anche in questo caso l’approccio è dapprima quello del calcolo di progetto termodinamico, seguito da una verifica delle stime effettuate attraverso prove sperimentali su di un prototipo. Nella terza sezione del lavoro viene effettuata un’analisi energetica su un impianto di nuova concezione confrontando i possibili vantaggi rispetto a sistemi tradizionali di generazione. Lo studio si articola attraverso varie simulazioni dinamiche svolte in ambiente TRNSYS. A tal fine è stato possibile ottimizzare i modelli di simulazione dei singoli componenti, avendo accesso ai dati sperimentali sulle prestazioni delle singole macchine. Inoltre è stato possibile condurre delle prove su un impianto pilota installato presso i laboratori di SIME S.p.A. Ciò ha permesso di ricavare informazioni utili per modellizzare il comportamento dinamico di un serbatoio di accumulo combinato con stratificazione. Dopo aver calibrato i modelli dei singoli componenti di impianto è stato possibile ricostruire un modello completo dell’impianto e di una villetta bifamiliare in ambiente TRNSYS; il modello considera il riscaldamento sia a bassa che ad alta temperatura e la produzione di acqua calda sanitaria. Il sistema ibrido composto da caldaia modulante a condensazione, pompa di calore reversibile e solare termico viene messo a confronto con una soluzione convenzionale, ovvero un impianto con sola caldaia, e con diverse combinazioni di fonti energetiche.

Machine et installation d'essais. Courbes caractéristiques et essais préliminaires. Etude expérimentale de l'écoulement, moyenne dans le temps en sortie de roue et dans le diffuseur. Etude expérimentale des vitesses instantanées en sortie de roue et dans le diffuseur lisse. Analyse en fréquence dans des fluctuations de pression en paroi de diffuseur. Mesure de pression dans le canal de roue

Depuis quelques années, les explosifs artisanaux à base de peroxyde sont fréquemment utilisés dans les actes de terrorisme. Leur simplicité de conception ne les rend pas moins inoffensifs car ils sont tout aussi puissants que ceux à base de TNT (trinitrotoluène). Au regard des enjeux majeurs de la sécurité globale et en particulier de la protection du citoyen, il devient nécessaire de bénéficier d'instruments de détection fiables. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail de thèse qui vise à développer un capteur intégré, sensible et sélectif aux traces d'explosifs, notamment ceux à base de peroxyde. Ce nez électronique est constitué d'une matrice de transistors à nanotubes de carbone (CNTFET) et d'une électronique et traitement des données. Après une brève introduction relative aux CNTFET pour la détection gazeuse, nous présentons les bases de l'élaboration d'une modélisation électrique du capteur. Cette modélisation a pour but, à terme, de permettre aux concepteurs decircuits intégrés de bénéficier d'un support de simulation des CNTFET, nécessaire à la mise en oeuvre de l'électronique de contrôle et de conditionnement des signaux. Nous détaillerons également ce qui constitue selon nous l'étape fondamentale précédant l'élaboration d'un modèle compact prédictif basé sur la physique, c'est à dire la compréhension topologique du réseau de nanotubes. Nous détaillerons alors différentes probabilités de contacts entre nanotubes. Nous présentons ensuite,l'élaboration de l'électronique permettant le contrôle des potentiels appliqués aux CNTFET et le conditionnement des signaux électriques. Ce conditionnement a pour objectif d'acheminer les réponses électriques du capteur vers des architectures de traitement de données utilisées pour la détection des différents gaz cibles. L'électronique intégrée en technologie CMOS HV (haute tension) est alimentée par pile basse tension. Des pompes de charge, élévateurs de tension, générant ces hautes tensions ont été étudiées, modélisées et réalisées. Nous proposons également dans ce manuscrit une nouvelle architecture de pompe de charge qui constitue, dans certaines plages d'utilisation, une alternative intéressante aux pompes de charge les plus performantes utilisées jusqu'à présent
For the last few years, improvised peroxide based explosives are frequently used in acts of terrorism. Their simple design does not make them less threatening than those based on TNT because they are equally as powerful as those based on TNT (trinitrotoluene). In view of the major issues of the overall safety and, in particular, the citizens' protection, it becomes necessary to enjoy reliable detection instruments. Such is the background of this PhD work which aims to develop a built-in sensor,sensitive and selective to traces of explosives, especially those based on peroxide. This electronic nose is made up of a network of carbon nanotube field-effect transistors (CNTFET), and data processing hardware. After a brief introduction relating to CNTFETs for gaseous detection, we will provide the basis for the elaboration of an electronic modeling of the sensor. This modeling aims, at the end, to allow designers of integrated circuits to benefit from a simulation support of CNTFETs, required to the implementation of control and signal conditioning electronics. We will also detail what are the fundamental steps mandatory before the development of a predictive compact model based on physics, which means the topological understanding of the nanotubes network. Then, we will describe different probabilities of contacts between nanotubes. Later, we will introduce the elaboration of the electronics allowing the control of the voltages applied to the CNTFETs and the electrical signals conditioning. The objective of this conditioning is to carry electrical responses from the sensor to data processing architectures used for the detection of the different target gasses. High Voltage CMOS integrated electronics are powered by low-voltage batteries. Charge pumps and voltage boosters which generate these high voltages, have been investigated, modeled and carried out. We also provide in this dissertation a new charge pump architecture which offers, in some ranges of application, an interesting alternative to the most efficient charge pumps used until now

Une solution pertinente afin d'alimenter des capteurs isolés consiste à récupérer l'énergie disponible dans leur environnement immédiat. Parmi les sources d'énergie envisageables, notre choix s'est porté sur les vibrations mécaniques ambiantes. Notre contribution porte sur l'étude et la réalisation, par un procédé de fabrication collective, d'un transducteur électrostatique sans électrets en technologie MEMS Silicium. Nous proposons une étude analytique permettant d'optimiser l'efficacité du générateur électrostatique, tout en considérant une limite sur la tension maximale aux bornes du transducteur afin de ne pas endommager le circuit de conditionnement. Le design proposé prend également en compte d'éventuelles variations de l'amplitude des vibrations externes. Le dispositif a été fabriqué au sein de ESIEE Paris et présente un volume total de moins de 100 mm3.Les tests expérimentaux ont montré un comportement fortement non-linéaire de la structure. Nous avons obtenu une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique correspondant à une puissance maximale de 2.3 μW à 260 Hz, pour une accélération de 1 g et à une pression de 0.15 Torr, lorsque le système est pré-chargé avec une tension de 10 V. Une fois implémenté dans un circuit de pompe de charge et pour les mêmes conditions d'accélération et de pression, le système peut fonctionner en complète autonomie pendant plus de 500 secondes pendant lesquelles la puissance délivrée varie de 1.4 μW à 940 nW avec une tension de pré-charge de 10.6 V
A relevant solution to power isolated sensors is to harvest the energy available in their immediate environment. Among the possible sources of energy, our choice was made on ambient mechanical vibrations. We have designed and fabricated a silicon-based and batch-processed MEMS electrostatic transducer which does not use an electret. We present an analytical method to optimize the efficiency of the electrostatic generator, while a voltage limitation on the transducer's terminal is set to prevent any damage in the conditioning electronics. The proposed design also takes into account some possible variations in the amplitude of external vibration. The device was fabricated in ESIEE Paris and its volume is less than 100 mm3. The device was tested experimentally and exhibits a strong non-linear behavior. We obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy corresponding to a power of 2.3 μW at 260 Hz, with an acceleration of 1 g and a pressure of 0.15 Torr, when the system is pre-charged with a voltage of10 V. When the device is implemented in a charge pump circuit and under the same parameters of acceleration and pressure, the system can operate in autonomous mode for more than 500 seconds during which the output power varies from 1.4 μW to 940 nW when the pre-charge voltage is 10.6 V

Une solution pertinente afin d'alimenter des capteurs isolés consiste à récupérer l'énergie disponible dans leur environnement immédiat. Parmi les sources d'énergie envisageables, notre choix s'est porté sur les vibrations mécaniques ambiantes. Notre contribution porte sur l'étude et la réalisation, par un procédé de fabrication collective, d'un transducteur électrostatique sans électrets en technologie MEMS Silicium. Nous proposons une étude analytique permettant d'optimiser l'efficacité du générateur électrostatique, tout en considérant une limite sur la tension maximale aux bornes du transducteur afin de ne pas endommager le circuit de conditionnement. Le design proposé prend également en compte d'éventuelles variations de l'amplitude des vibrations externes. Le dispositif a été fabriqué au sein de ESIEE Paris et présente un volume total de moins de 100 mm3.Les tests expérimentaux ont montré un comportement fortement non-linéaire de la structure. Nous avons obtenu une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique correspondant à une puissance maximale de 2.3 μW à 260 Hz, pour une accélération de 1 g et à une pression de 0.15 Torr, lorsque le système est pré-chargé avec une tension de 10 V. Une fois implémenté dans un circuit de pompe de charge et pour les mêmes conditions d'accélération et de pression, le système peut fonctionner en complète autonomie pendant plus de 500 secondes pendant lesquelles la puissance délivrée varie de 1.4 μW à 940 nW avec une tension de pré-charge de 10.6 V

Le marché des objets connectés sécurisés est en plein essor et nécessite des plateformes de développement faible consommation pour des applications sans contact dans des facteurs de forme réduits. La réduction du facteur de forme impacte l’antenne et entraîne une baisse de l’énergie disponible dans la puce, qui, pour travailler à performances égales, doit voir sa consommation diminuer drastiquement. Un des principaux contributeurs à la consommation est la mémoire non-volatile embarquée (eNVM) utilisée pour le stockage et l’exécution du code. Il faut donc, pour une technologie donnée, être capable de concevoir des blocs périphériques du plan mémoire de manière à réduire la consommation au maximum. L’objectif de la thèse est donc de sélectionner une technologie eNVM très faible consommation compatible avec le procédé technologie CMOS classique, d’identifier les blocs critiques lors des opérations de la mémoire, et enfin de proposer des solutions de minimisation de la consommation pour chaque bloc critique. Pour ce faire, une étude de toutes les mémoires non volatiles embarquées disponibles sur le marché est réalisée. Il en ressort que la technologie Flash, en particulier la Flash NOR embarquée de type SuperFlash® ESF3, est la mieux adaptée pour les systèmes télé-alimentés. L’étude de la macro Flash NOR montre que durant l’écriture et l’effacement, la consommation du système est en partie liée à la génération de la haute tension par les pompes de charge. Par contre, durant la lecture, les performances globales du système sont déterminées par l’amplificateur de lecture. Ainsi, un travail de conception de chaque bloc individuel est mis en oeuvre pour réduire la consommation
The market of secure connected devices is booming and requires low power development platforms for contactless applications in reduced form factors. The reduction in the form factor impacts the antenna size and thus leads to a decrease of the energy available in the chip, which should reduce drastically its consumption while keeping performances. One of the main contributors to the chip consumption is the embedded non-volatile memory (eNVM) used for storage and code execution. Therefore, for a given technology, it is necessary to design peripheral blocks of the memory array under strong consumption constraints. The aim of the thesis is to select a very low-power embedded nonvolatile memory technology compatible with the classical CMOS process, to identify the critical blocks during the operations of the memory, and finally to propose solutions to minimize the power consumption of each critical block.In order to do this, a study of all the embedded non-volatile memories available on the market is carried out. It emerges that the Flash technology, in particular the SuperFlash® ESF3 based NOR Flash technology, is best suited for remote-powered systems. The study of the NOR Flash macrocell shows that during write and erase operations, the system consumption is mainly related to the high voltage generation by charge pumps. However, during a read operation, overall performances of the system is determined by the sense amplifier. A design work for each individual block is then implemented to reduce consumption

Due to size effects, the microtechnologies that are used to manufacture micro-sensors, allowed a drastic reduction of electrical power consumption. This feature contributed to the emergence of the concept of autonomous sensors, which have the ability to take the energy needed for their operation from the environment where they are located. Among the different energy sources, our choice was made on ambient mechanical vibrations. The electromechanical conversion is done within a transducer integrated with a micromechanical structure. In this work, we have designed and fabricated an electrostatic transducer based on silicon-glass technology, which required the development of a dedicated deep etching process. The device was tested experimentally and we have obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy, corresponding to a power of 61 nW, with a device whose surface area is only 66 mm². This device is the first miniaturized silicon converter based on electrostatic transduction which does not use an electret

Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants
Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall

L'application d'une perturbation externe à certains matériaux (tels que la température, la pression ou la lumière) provoque souvent l'émergence de nouvelles propriétés macroscopiques dont l'origine se situe au niveau atomique. Par conséquent, une étude détaillée de la dynamique atomique devient essentielle pour la compréhension de processus tels que les transformations chimiques ou les transitions de phase. Dans le cas particulier des transitions de phase structurales, la symétrie du cristal est soumise à une transformation entre deux états différents à une valeur critique. Les échelles de temps typiques de la dynamique structurale sont de l'ordre de quelques centaines de femtosecondes à plusieurs picosecondes. Le développement des impulsions laser femtosecondes a permis aux chercheurs d'accéder aux échelles de temps nécessaires pour explorer la dynamique structurale ultra-rapide. Plus précisément, la diffraction résolue en temps s'est révélée être une technique idéale pour suivre et dévoiler les voies hors équilibre suivies par le réseau après une courte impulsion laser. Cette thèse présente des études expérimentales réalisées par des techniques de diffraction d'électrons et de rayons X résolue en temps sur deux transitions de phase structurelles différentes. Dans une première partie, nous démontrons les capacités du montage expérimental de diffraction d'électrons ultra-rapide (UED) développé au Laboratoire d'Optique Appliquée. Nos résultats expérimentaux réalisés sur des échantillons monocristallins de haute qualité sont présentés ainsi qu'une étude quantitative des implications des effets de diffraction dynamique dans les expériences UED. Dans une deuxième partie, nous présentons un ensemble d'expériences de diffraction d'électrons pompe-sonde réalisée sur GdTe₃, un composé appartenant à la famille des Tritellurides de terres rares qui présente un état d'onde de densité de charge. L'arrivée d'une excitation optique déclenche la transition de phase de manière non thermique. La dynamique de relaxation est caractérisée par un ralentissement qui augmente avec la fluence incidente ainsi qu'avec la température initiale de l'échantillon. Ces résultats éclairent les interprétations controversées actuelles concernant l’ émergence de défauts topologiques photo-induits.Dans une troisième partie, nous présentons des expériences de diffraction des rayons X en temps résolu réalisées à la ligne CRISTAL du synchrotron SOLEIL. Dans ce cas, nous avons étudié le composé A15 Nb₃Sn, qui présente une transition de phase d'une symétrie cubique à une symétrie tétragonale à l'équilibre thermique. Les résultats de notre expérience pompe-sonde mettent en évidence une réponse différente du réseau par rapport à la transition d’ équilibre thermique, ce qui encourage les futures recherches sur la dynamique structural de ce matériau
The application of an external perturbation in certain materials (such as temperature, pressure or light) often gives rise to the emergence of new macroscopic properties with their origin at the atomic level. Therefore, a detailed study of the atomic dynamics becomes essential to the understanding of processes such as chemical transformations or phase transitions. In the particular case of structural phase transitions, the symmetry of the crystal undergoes a transformation between two different states at a given critical value. The typical time scales of the structural dynamics occur on the order of few hundreds of femtoseconds to several picoseconds. The development of femtosecond laser pulses has enabled scientists to access the required time scales to explore the ultrafast dynamics of the lattice structure in the relevant time scales. More precisely, time-resolved diffraction has proven to be an ideal technique to track and unveil the out-of-equilibrium pathways followed by the lattice after a short laser pulse.This thesis presents experimental studies performed by time-resolved electron and X-ray diffraction techniques on two different structural phase transitions. In a first part, we demonstrate the capabilities of the ultrafast electron diffraction (UED) experimental setup developed at Laboratoire d’Optique Apliquée. Our UED experimental results performed on high quality single crystal samples are presented along with a quantitative study of the implications of dynamical diffraction effects in UED experiments. In a second part, we present a set of pump-probe electron diffraction experiments performed on GdTe₃, a compound belonging to the rare-earth Tritellurides family which presents a charge density wave state. The arrival of an optical excitation triggers the phase transition non-thermally with the out-of-equilibrium relaxation dynamics of the charge density wave state characterized by slowing down that increases with incident fluence as well as with initial sample temperature. These results shed more light on current controversial interpretations involving the emergence of photoinduced topological defects. In a third part, we present time resolved X-ray diffraction experiments performed at CRISTAL beamline at SOLEIL synchrotron. In this case we have studied the A15 compound Nb₃Sn, which displays a displacive phase transition evolving from cubic to tetragonal symmetry at thermal equilibrium. Our pump-probe results present evidence of a different lattice response with respect to the thermal equilibrium transition, encouragingf uture investigations on the dynamics of this material

L'avènement de la physique attoseconde a amené de nouveaux challenges tant expérimentaux que théoriques. En effet, l'observation de processus dynamiques, intervenant aux échelles de temps intrinsèques des mouvements des charges aux échelles atomiques, permet d'envisager des nouveaux processus pour lesquels le rôle des corrélations et des couplages non-adiabatiques deviennent primordiaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans le cadre de l'étude des molécules complexes, en particulier carbonées, soumises à une impulsion lumineuse courte. Pour de telles échelles de temps (femtoseconde / attoseconde) et d'énergie (IR / UVX), les principales approximations permettant l'étude des systèmes électroniques ne sont plus valides. Cette thèse présente les simulations théoriques réalisées permettant l'étude théorique de molécules dans de telles conditions. L'étude des dynamiques de migration de charges corrélées au sein des molécules de benzène, de différents hydrocarbures aromatiques polycycliques ainsi qu'au sein de molécules d'intérêt biologique telles que la phénylalanine, a été réalisée. Ce type de dynamiques n'a jamais pu être observé expérimentalement. Une attention particulière a donc été portée à la faisabilité d'une expérience dans le cas de la molécule de benzène. Les relaxations non-adiabatiques de la molécule de naphtalène soumise à une impulsion UVX ont été étudiées. Enfin, les dynamiques à l'échelle du cycle optique, rencontrées par un groupe de molécules de taille intermédiaire soumis à une impulsion IR, ont été abordées. Ces simulations ont permis d'interpréter des expériences pompe-sonde réalisées par des membres de notre équipe
The advent of attosecond physics has brought new experimental and theoretical challenges. Indeed, the observation of dynamic processes occurring at the intrinsic time scale of charge motion at atomic scale, allows to consider new processes for which the role of correlations and non-adiabatic couplings become primordial. The work presented in this manuscript falls in the context of the study of complex molecules subject to a short light pulse. For such time (femtosecond / attosecond) and energy scales (IR / XUV), the main approximations that permit the study of electronic systems are no longer appropriate. In this thesis, we present the simulations realized for the theoretical study of molecules in such conditions. We studied the correlated charge migration dynamics in several molecules like the benzene, different polycyclic aromatic hydrocarbons and molecules of biological interest such as phenylalanine. This kind of dynamics has never been observed experimentally. Hence, a particular attention was paid to the feasibility of an experiment in the case of the benzene molecule. The non-adiabatic relaxations of the naphthalene molecule subjected to a XUV pulse were also studied. Finally, dynamics occurring at the optical cycle time scale experienced by a group of medium-sized molecules subject to an IR pulse, were discussed. These simulations were used to interpret pump-probe experiments made by members of our team

Nous étudions les performances et limites de cellules à césium en
saphir pour une expérience de physique atomique visant à une mesure précise
d'un effet de violation de parité (PV) associé à l'échange du boson Zo
dans l'atome de césium. Une telle mesure permet un test à très basse énergie du
modèle standard électrofaible. Il s'agit d'une expérience pompe-sonde sur le
système 6S1/2-7S1/2-6P3/2, menée en régime impulsionnel, dans une
vapeur dense de césium (2.10^14 atomes/cm3), soumise à un champ
électrique E= (2kV/cm) statique à
l'échelle des impulsions laser.

Dans la configuration étudiée avant cette thèse (champ E appliqué selon
la direction de propagation des faisceaux) les cellules en saphir ont permis de
dépasser plusieurs limites rencontrées auparavant avec les cellules en verre:
(i) totale immunité des fenêtres aux conditions de l'expérience (ii)
destruction thermique des dimères Cs2 en surchauffant la vapeur (iii)
production désormais possible du champ E dans la cellule avec des
électrodes externes, attestant la réduction des courants surfaciques internes.
Il apparaît cependant une émission d'électrons par les fenêtres, induite par
l'impulsion laser d'excitation, et on met en évidence une multiplication des
charges au cours de leur accélération dans le champ électrique. Les
perturbations associées à la charge d'espace et au courant électronique
limitent actuellement la précision des moyennages PV dans cette configuration.
Nous avons ensuite exploré une nouvelle configuration expérimentale, où le
champ électrique est perpendiculaire aux faisceaux. Cela a été réalisable
facilement avec l'utilisation d'électrodes externes, exploitables avec les
cellules en saphir. Les premières études expérimentales ont permis de dégager
les conditions de mesure et de calibration d'orientations atomiques
longitudinale et transverse (en utilisant la précession de Larmor) dans l'état
7S, par polarimétrie pompe-sonde impulsionnelle, en exploitant la détection par
émission stimulée. Nous avons par ailleurs mis en oeuvre une mesure atomique
in situ du champ électrique, utilisable dans les deux configurations
expérimentales. Cette mesure est indispensable pour exploiter les mesures PV en
configuration longitudinale.

La méthode de Communication Sonore Temporalisée est une version adaptée d'une méthode classique de musicothérapie qui prend en compte les difficultés d'une population d'enfants instables, notamment en ce qui concerne leur rapport perturbé au temps, afin de les amener à « apercevoir les rythmes » interactifs dans la durée, la succession et la continuité des phénomènes. Une grille d'appréciation des conduites a également été élaborée afin de repérer des évolutions individuelles et/ou groupales. 413 séances ont été organisées auprès de 48 enfants instables répondant pour la plupart aux critères TDAH. Deux évaluations longitudinales, fondées sur le repérage des conduites et des formes temporelles verbales, ainsi qu'une évaluation comparative (impulsivité, processus séquentiels vs simultanés) ont été effectués. Un indice d'intensité de prise en charge a ete attribué à chaque enfant pour vérifier si l'amplitude des différences test - retest etait corrélée à l'indice. Les résultats montrent que cette méthode a un effet tres significatif sur le traitement séquentiel et le contrôle de l'impulsivité. II est également démontré que le recours aux conduites créatives est significativement corrélé à l 'usage de temps verbaux passés et au déploiement de l'horizon temporel linguistique. Elles deviennent par ailleurs plus spontanées et durables au fil des séances. La méthode CST est donc efficace pour élargir l'horizon temporel et pour restaurer une enveloppe temporelle stable chez l'enfant instable. Ce processus passe par l'appréhension de la succession événementielle et par l'aperception des rythmes, premier vecteur d'accordage relationnel
The Temporalised Sound Communication method is adapted from a classical music therapy method. Its adaptation was achieved by taking into account the difficulties of children with behavioral disorders. Particular focus was put on the distortion of their relationship with time, in which immediacy prevails. The evolutions in the children's behavior were measured thanks to an observation grid based on the idea of a continuum between destructivity, conflict and creativity. Overall, the observations are based on 413 sessions involving 48 children with behavioral disorders, presenting severe impulsiveness, most of them matching the criteria of the ADHD syndrome. Two longitudinal evaluations were carried out, with results from the grid and from verbal tenses observed in the children's speech. The children's impulsiveness, their ability for information analysis (simultaneously, as well as sequentially) formed the basis for a test-retest evaluation. Test-retest differences were measured against the intensity of the therapy (frequency and number of sessions) for each child. The control of impulsiveness and the efficiency of sequential information analysis were very significantly improved. Besides, creative behaviors are closely related to past verbal tenses and to the opening of a temporal horizon in the children's speech. During the therapy, creative behaviors were used in a more and more independent and sustained way. Thus, the therapy helps these ADHD children gain a more flexible relation to time. This process involves looking at the succession of phenomena and developing the awareness of rhythms, which constitute the first means of communication in music therapy for these children

Ce travail porte sur l'etude des interactions porteur-porteur et porteur-phonon dans l'arseniure de gallium par des techniques pompe-sonde de saturation d'absorption femtoseconde a haute sensibilite. Pour cela, une source femtoseconde a deux couleurs a ete developpee par conversion de frequence non-lineaire des impulsions fournies par un oscillateur femtoseconde a saphir dope titane. Nous avons tout d'abord etudie les mecanismes d'interaction des trous libres dans l'asga. Les mesures realisees sur l'echauffement de trous froids en fonction de la densite de porteurs photo-generes, de leur exces d'energie initial et de la temperature du reseau nous ont permis de mesurer directement le temps d'interaction trou-phonon et d'en deduire le potentiel de deformation optique. Une etude sur le ralentissement de la thermalisation electron-reseau du a la creation d'une population de phonons hors equilibre en centre de zone de brillouin est ensuite presentee. Les differentes mesures que nous avons realisees nous ont permis de demontrer que la thermalisation electrons-reseau aux temps longs est gouvernee par la duree de vie des phonons optiques, en accord avec un modele de simulations numeriques

Ce travail a porté sur l’étude expérimentale de la dynamique électronique et vibrationnelle de nano-objets métalliques et hybrides par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. L’étude de la dynamique des échanges d’énergie électrons-réseau dans des systèmes métalliques bidimensionnels nous a permis de mettre en évidence une accélération du transfert d’énergie entre électrons et phonons due au confinement. Cette accélération est gouvernée par la plus petite dimension des nano-objets étudiés (nano-triangles d’argent 2D) lorsque celle-ci devient inférieure à environ 10 nm. Nous avons aussi étudié la dynamique vibrationnelle de nanoparticules métalliques, bimétalliques et métal diélectrique. Nous nous sommes intéressés aux modes de vibration longitudinaux et radiaux de bipyramides d’or en fonction de leurs dimensions, et à leurs évolutions consécutives à un dépôt d’argent. Une forte sensibilité des périodes et des amplitudes de vibration à de faibles dépôts a été mise en évidence. L’étude de l’évolution des modes de vibration de nano-objets de type coeur-coquille (argent-silice et or-silice) nous a permis d’obtenir des informations sur la qualité du contact mécanique à l’interface métal-diélectrique. Enfin, nous avons étudié les interactions électroniques dans des nano-systèmes hybrides métal/semi-conducteur (ZnO-Ag), et plus particulièrement les transferts de charge et les échanges d’énergie entre les deux composants.Nous avons montré la forte influence de l’environnement sur la dynamique électronique du ZnO et mis en évidence un transfert d’électron, photo-induit par une impulsion infrarouge, de la particule métallique vers la bande de conduction du semi-conducteur
Electronic and vibrational dynamics have been studied in metallic and hybrid nano-object using femtosecond timeresolved spectroscopy. The study of electron-lattice energy exchanges in two-dimensional metallic systems showed an acceleration of the energy transfer between electrons and phonons due to confinement. This acceleration is governed by the smallest dimension of the nano-objects (2D-silver nano triangles ) when it becomes smaller than 10 nm. We also studied the vibrational dynamics of metallic nanoparticles, bimetallic and metal-dielectric. We investigated the longitudinal and radial modes of vibration of gold bipyramids which depend on their size, and studied their evolution under silver deposition. A high sensitivity of periods and amplitudes for small deposition were demonstrated. Our work on the evolution of acoustic vibrations of core-shell nano-objects (silver-silica and goldsilica) allowed us to obtain information on the quality of mechanical contact at the metal-dielectric interface. Finally, we studied the electronic interactions in hybrid metal / semiconductor (ZnO-Ag) nano-systems, and especially the charge transfer and energy exchanges between the two components. We showed a strong influence of the environment on the electron dynamics of ZnO and proved the existence of an electron transfer, photoinduced by an infrared pulse, from the metal particle to the semiconductor conduction band

Cette these porte sur la relaxation des electrons dans les semiconducteurs et plus particulierement dans l'arseniure de gallium. Elle nous renseigne sur les processus fondamentaux, notamment les collisions, qui permettent aux electrons de changer d'energie et determinent la rapidite des dispositifs electroniques ou optoelectroniques. L'etude repose sur l'utilisation de lasers a impulsions femtosecondes et sur une methode pompe-sonde originale car non-degeneree: l'impulsion pompe injecte des electrons et des trous en un temps tres bref, tandis que l'impulsion sonde est accordee sur une autre transition utilisant une bande de valence plus profonde car decouplee par l'interaction spinorbite. Il est ainsi possible de suivre avec une resolution temporelle de 30 fs l'evolution de la distribution des electrons, et des electrons, et des electrons seulement, sans la superposer a celle des trous. On observe pour la premiere fois les tout premiers instants de la relaxation des electrons pour lesquels la distribution est encore completement hors d'equilibre, jusqu'a la thermalisation qui se fait tres rapidement, en moins de 300 fs. En parallele, l'etude theorique montre la necessite d'une description non-markovienne des processus (c'est-a-dire tenant compte du passe des distributions) que l'on prend en compte avec la theorie de la cinetique quantique utilisee dans le cadre des equations de bloch pour semiconducteurs. L'equation de boltzmann et la regle d'or de fermi ne sont en effet plus valables pour des echelles de temps aussi courtes. L'accord theorie-experience est d'autant plus remarquable qu'aucun parametre ajustable n'a ete requis. L'influence de plusieurs parametres experimentaux a aussi ete etudiee: une forte densite de porteurs injectes ralentit la relaxation, alors que la presence initiale de porteurs froids l'accelerent fortement. L'exces d'energie initial donne aux electrons est en revanche de peu d'influence. Nous avons aussi adapte notre methode a l'etude de la relaxation dans les structures a puits quantiques et nous en presentons les premiers resultats.