Ce travail présent le développement d’une formulation exergétique réduite au sillage, adaptée à l’analyse aérodynamique de configurations ayant un fort couplage aéro-propulsif. Cette formulation est basée sur le travail d’Arntz (formulation exergétique utilisant un plan de sondage de taille infinie qui est bien adaptée pour l’analyse des simulations aérodynamique computationnelles par CFD) et combinée avec des méthodes classiques de champ lointain afin de réduire la zone d’étude au sillage. L’intérêt de cette réduction de la zone d’étude est double : d’un part, cela autorise une validation expérimentale de l’étude aéro-propulsif. D’autre part, cette réduction au sillage offre une compréhension très puissante de la physique et permet aussi de décomposer tous les mécanismes de génération de pertes aérodynamique. Ainsi, cette décomposition permet d’établir une comptabilité des phénomènes aéro-propulsifs pour des configurations avion complexes, ayant un fort couplage, ce qui est très outil pour le design d’un avion.La deuxième partie de la thèse vise à récolter des donnés expérimentaux (essais en soufflerie) d’une configuration avion type multifan, ayant un très fort couplage aéro-propulsif. Une maquette simplifiée de cet avion a été testée, tout en réalisant des mesures de sillage par PIV et sonde cinq trous, ainsi que des mesures de balance. Cette base de données a été utilisée pour valider expérimentalement la nouvelle formulation exergétique. Aussi, elle a été utilisé pour établir une modèle aéro-propulsif en utilisant une analyse aérodynamique classique, suivi d’une analyse exergétique complémentaire qui a fourni information de design très outil et qu’aucune méthode existante permet de le faire.

Avec des architectures d'avions plus complexes, des itérations de conception rapides et rentables sont essentielles pour améliorer le rendement énergétique global. Cette thèse propose de revisiter une approche de modélisation instationnaire à bas ordre pour remplacer les simulations coûteuses de roue complète avec des méthodes Unsteady Reynolds Averaged Navier – Stokes (URANS). En effet, ces nouvelles architectures peuvent introduire des distorsions d’entrée plus fortes qui peuvent avoir un impact significatif sur le fonctionnement et les performances du turboréacteur. En raison de la nature instable et non axisymétrique de l’écoulement, des calculs de roue complète sont nécessaires. Dans cette thèse, une alternative est étudiée : l'approche Body Force. L'idée est de remplacer les pales dans le domaine de simulation par des termes sources volumiques, qui peuvent être exprimés en forces, visant à reproduire les effets des pales. Plusieurs contributions à la méthodologie de Body Force peuvent être trouvées dans la littérature, cependant, l'utilisation de la modélisation de Body Force instationnaire pour les prédictions de décollement tournant a reçu beaucoup moins d'attention car seule la version à basse vitesse du modèle de Gong a été utilisée. Ceci n'est pas adapté aux écoulements avec des effets de compressibilité et donc aux soufflantes. De plus, il repose sur une formulation non locale qui nécessite un solveur dédié. La méthode UBFM proposée permet une réduction significative des coûts pour l'ingestion de distorsion de la soufflante et l'évaluation de l'opérabilité. À cette fin, le modèle de Body Force de Hall-Thollet est utilisé comme point de départ, et une modification est proposée pour améliorer les prédictions hors adaptation. Dans l'ensemble, le coût de la simulation est divisé par 26.Dans la présente thèse, l'accent est mis sur l'ingestion de vortex, qui est un type de distorsion qui a reçu moins d'attention dans la littérature pour les soufflantes à très fort taux de dilution des moteurs civils que la séparation d’entrée d’air ou l'ingestion de couche limite. L'objectif est de fournir une analyse détaillée et une compréhension des mécanismes responsables de la perte d'opérabilité lorsqu'un vortex est ingéré par la soufflante. Pour cela, un modèle simplifié de vortex est obtenu de simulations précédentes dans des conditions de vent de travers incluant la présence du plan du sol. Le cas de test de l'étude est un démonstrateur de turboréacteur à double flux représentatif des moteurs modernes. Les simulations sont exécutées avec et sans vortex à plusieurs points de fonctionnement jusqu'à ce que le décollement tournant soit observé. Les résultats montrent que nos simulations UBFM sont capables de prédire les cellules de décollement tournant, avec des modèles et une vitesse de rotation similaires aux données URANS. Une comparaison des deux configurations de condition d’entée montre que le mécanisme de démarrage du décollement est similaire avec et sans distorsion. En particulier, en examinant l'incidence au niveau de la pale de la soufflante, un angle critique similaire est observé pour les deux configurations, qui est mis à profit pour établir un critère d’incidence et de conception valable pour les cas d'ingestion de vortex.

Le développement des drones dans le cadre de la recherche atmosphérique a connu une forte croissance durant ces dernières années en raison de leurs multiples avantages. Les drones constituent un outil performant pour le profilage des paramètres les plus importants de la couche limite atmosphérique (CLA) comme la température, l’humidité et le vecteur vent, ainsi que pour les observations de la turbulence. Les avions instrumentés dédiés aux observations atmosphériques ont été une source d’inspiration pour le développement des charges utiles des drones qui sont des plateformes complémentaires aux systèmes déjà existants comme les tours, les avions instrumentés et les radiosondes, puisqu’ils peuvent échantillonner des zones inaccessibles aux autres plateformes. Nous avons qualifié deux charges utiles pour la mesure du vent et de la turbulence dans la couche limite atmosphérique pour deux drones de différentes tailles. Le premier est un drone de petite taille (3.5 kg y compris la charge utile et une envergure de 2.6 m) nommé OVLI-TA (Objet Volant Leger Instrumenté–Turbulence Atmosphérique). Le second est le drone BOREAL à voilure fixe de taille supérieure (25 kg dont une charge utile jusqu’à 5 kg et une envergure de 4.2 m).L’instrumentation météorologique d’OVLI-TA est composée d’une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone, un tube Pitot pour mesurer la pression statique et dynamique, une centrale inertielle, un GPS, ainsi que des capteurs de température et d’humidité. De plus, l’autopilot Pixhawk a été utilisé pour la navigation. Les calibrations de la sonde cinq-trous ont été réalisées en soufflerie afin de déterminer les coefficients de sensibilité des angles d’attaque et de dérapage. On présente les analyses d’un vol de qualification mené en mars 2016 dans le centre de recherche atmosphérique à Lannemezan qui est équipé d’une tour de 60 m instrumentée et dédiée à la mesure continue des paramètres de la couche limite atmosphérique, ainsi que de vols réalisés en juin et juillet 2016 lors de la campagne de mesure internationale DACCIWA (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Clouds Interactions in West Africa), au Bénin. Cette analyse permet d’évaluer les performances d’OVLITA pour mesurer les valeurs moyennes du vent, de la température et de l’humidité, ainsi que la turbulence. Dans cette évaluation, les observations de la tour de 60 m et des radiosondes ont servi de référence.Les avancées de BOREAL par rapport à OVLI-TA résident dans sa charge utile qui est plus importante, son autonomie de vol qui peut atteindre les 9 heures, et aussi sa capacité de voler dans des conditions météorologiques plus défavorables. Son instrumentation météorologique inclut un GPS et une centrale inertielle, une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone et qui mesure les angles d’attaque et de dérapage, un tube Pitot, et des capteurs de température et d’humidité. Afin de calibrer la sonde cinq-trous, j’ai analysé les données du test en soufflerie et j’ai réalisé des simulations numériques avec le code d’écoulement FLUENT. De plus, le premier vol de qualification de BOREAL effectué en 2018 nous a permis de déterminer la vitesse air optimale du drone à laquelle les vibrations sont significativement réduites à un niveau acceptable. Par la suite, en 2020, une première campagne de mesure a été menée à Lannemezan afin de qualifier les capacités de BOREAL à mesurer le vent et la turbulence et ceci suite à des comparaisons avec la tour instrumentée. Un état détaillé des performances de la plateforme est présenté.

Dans la dernière partie, des simulations numériques sur le claquage micro-ondes et la formation de structures filamentaires de plasma sont conduites. Les effets de différents types d’approximations sur le modèle physique du plasma sont analysés. Puis, ces expériences numériques démontre la précision et l’efficacité, en terme de temps de calcul, de la méthode multi-échelle proposée. Enfin, on étudie les effets de chauffage du gaz sur la formation et l’entretien de structures filamentaires dans l’air à pression atmosphérique. Pour cela, le modèle micro-onde-plasma développé est couplé avec les équations de Navier-Stokes instationnaires pour les écoulements compressibles. Les simulations montrent des caractéristiques intéressantes de la dynamique de ces structures plasma pendant le processus de chauffage du gaz, qui sont en accord étroit avec les données expérimentales.

L’évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomène crucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûlée pour fournir de l’énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait des difficultés de mesurer expérimentalement les taux d’évaporation des gouttes appartenant à un brouillard. D’autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentatives des conditions rencontrées dans les foyers de combustion. La thèse s’inscrit dans une démarche visant à étudier l’évaporation d’un groupe de gouttes dans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lors de l’évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d’évaporation de chaque goutte ou sur le taux d’évaporation global du nuage de gouttes. L’approche SND permet de quantifier précisément ces effets afin d’améliorer les modèles actuels d’évaporation. Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration 1D sphérique pour décrire l’évaporation d’une goutte statique isolée et sans gravité. Puis dans un second temps, l’évaporation d’une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire. Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force de traînée exercée par l’écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a été mis en évidence que l’évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée. Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la goutte peut devenir négative. Cela implique que l’évaporation peut être à l’origine d’un phénomène de propulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier ce comportement à une asymétrie du débit d’évaporation. Dans un troisième temps, l’influence de la turbulence sur l’évaporation d’une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémenté et des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire le temps des calculs. Cela a permis d’analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d’une goutte en interaction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendance à être amplifiées par la turbulence. Enfin, dans un dernier temps, l’évaporation de groupes de gouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ont été analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaire ou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d’évaporation, il a été mis en évidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changement de phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur les échanges thermiques.

Le contexte de ces travaux de thèse est la transmission dite faster-than- Nyquist (FTN). Cette technique propose d’augmenter l’efficacité spectrale en augmentant le rythme de transmission au-delà de la bande occupée par le signal émis, indépendamment de la constellation choisie. Il a été montré que le FTN offre des taux d’information supérieurs à ceux des systèmes de Nyquist. Toutefois, le non respect du critère de Nyquist entraîne l’apparition d’interférence entre symboles et des techniques de réception appropriées doivent être utilisées. La technique de réception dite channel shortening consiste à filtrer la séquence reçue puis à calculer des probabilités symbole a posteriori approximatives à l’aide de l’algorithme BCJR en considérant une réponse de canal modifiée, de longueur réduite. Dans la littérature, en présence d’information a priori, les filtres du récepteur channel shortening sont optimisés sous critère de maximisation de l’information mutuelle généralisée (IMG) en utilisant des méthodes numériques. Nous proposons dans ces travaux de thèse une solution analytique pour l’ensemble des filtres channel shortening sous critère de maximisation de l’IMG lorsque le récepteur dispose d’information a priori. Nous démontrons ensuite que l’égaliseur au sens de la minimisation de l’erreur quadratique moyenne (MMSE) est un cas particulier de l’égaliseur channel shortening. Dans le cadre de la turbo égalisation, nous étudions ensuite un estimateur permettant d’obtenir l’information a priori à partir de l’information en sortie du décodeur correcteur d’erreurs. Finalement, nous évaluons les performances du système complet avec codage correcteur d’erreurs sur canal à bruit additif blanc Gaussien.

Avec l'expansion des zones urbaines, la pollution de l'air et l'effet d'îlot de chaleur augmentent, entraînant des problèmes de santé pour les habitants et des changements climatiques mondiaux. Dans ce contexte, les arbres urbains sont une ressource précieuse pour améliorer la qualité de l'air et promouvoir les îlot de fraîcheur. D'autre part, les canopées sont soumises à des conditions spécifiques dans l'environnement urbain, causant la propagation de maladies et la diminution de l'espérance de vie parmi les arbres. Cette thèse explore le potentiel de la télédétection pour la cartographie automatique des arbres urbains, de la détection des couronnes d'arbres à l'estimation des espèces, une tâche préliminaire essentielle pour la conception des futures villes vertes, et pour une surveillance efficace de la végétation. Fondé sur des données hyperspectrales aéroportées, panchromatiques et un modèle numérique de surface, le premier objectif de cette thèse consiste à tirer parti de plusieurs sources de données pour améliorer les cartes d'arbres urbains existants, en testant différentes stratégies de fusion (fusion de caractéristiques et fusion de décision). La nature des résultats nous a conduit à optimiser la complémentarité des sources. En particulier, le deuxième objectif est d'étudier en profondeur la richesse des données hyperspectrales, en développant une approche d'ensemble classifier fondée sur des indices de végétation, où les "classifier" sont spécifiques aux espèces. Enfin, la première partie a mis en évidence l'intérêt de distinguer les arbres de rue des autres structures d'arbres urbains. Dans un cadre de Marked Point Process, le troisième objectif est de détecter les arbres en alignement urbain. Par le premier objectif, cette thèse démontre que les données hyperspectrales sont le principal moteur de la précision de la prédiction des espèces. La stratégie de fusion au niveau de décision est la plus appropriée pour améliorer la performance en comparaison des données hyperspectrales seules, mais de légères améliorations sont obtenues (quelques %) en raison de la faible complémentarité des caractéristiques texturales et structurelles en plus des caractéristiques spectrales. L'approche d'ensemble classifier développée dans la deuxième partie permet de classer les espèces d'arbres à partir de références au sol, avec des améliorations significatives par rapport à une approche standard de classification au niveau des caractéristiques. Chaque classifieur d'espèces extrait reflète les attributs spectraux discriminants de l'espèce et peut être relié à l'expertise des botanistes. Enfin, les arbres de rue peuvent être cartographiés grâce au terme d'interaction des MPP proposé qui modélise leurs caractéristiques contextuelles (alignement et hauteurs similaires). De nombreuses améliorations doivent être explorées comme la délimitation plus précise de la couronne de l'arbre, et plusieurs perspectives sont envisageables après cette thèse, parmi lesquelles le suivi de l'état de santé des arbres urbains.

Les systèmes de navigation par satellites GNSS ne cessent d’évoluer et ils sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Avec la venue des nouveaux systèmes Galileo et BeiDou ainsi que la modernisation des systèmes GPS et GLONASS, de nouveaux satellites ainsi que de nombreuses nouvelles fréquences et de nouveaux signaux feront leur apparition dans les prochaines années et qui vont encore ouvrir la porte à d’innombrables nouvelles applications. L’évolution rapide de la téléphonie mobile nécessite une meilleure exploitation des systèmes de navigation et de positionnement dans les environnements urbains. Jusqu'à maintenant, les signaux de navigation GPS ne peuvent pas être bien captés dans les environnements urbains. Les niveaux des signaux y sont très faibles et il est presque impossible d’acquérir et de poursuivre les signaux de façon autonome à cause de l'importance des obstacles. De plus, le positionnement à l’intérieur et dans les environnements urbains sont aussi soumis aux problèmes de multi-trajets, de masquage, d’interférences et de brouillages. Dans ces conditions, il faut pouvoir traiter des signaux très dégradés ou très courts qui ne permettent pas au récepteur d’effectuer le processus de poursuite. Ainsi, cela nous conduit à la nécessité de repenser l'architecture du récepteur GNSS pour les applications modernes. Ce projet de thèse consiste à développer de nouvelles méthodes et architectures de récepteur GNSS de haute sensibilité et robuste aux dégradations des signaux tout en concevant de nouveaux algorithmes intégrés dans un récepteur GNSS hybride capable de fonctionner dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ». La méthodologie prévoit l’utilisation de la nouvelle approche de « détection collective (CD) » ou « acquisition collaborative ». L'approche collaborative qui traite tous les signaux multi-satellites ouvre une solution intéressante. De nombreuses techniques existent dans la littérature pour résoudre les problèmes de positionnement dans les environnements urbains, mais nous proposons la nouvelle approche de détection collective en raison de sa performance en tant que méthode de positionnement direct et méthode d'acquisition de haute sensibilité, par l'application de la détection vectorielle de tous les satellites visibles. En effet, la bonne combinaison des valeurs de corrélation de plusieurs satellites peut réduire le niveau de C/N0 requis des signaux satellites par les algorithmes standards de traitement (acquisition et poursuite) qui ne peuvent pas être acquis individuellement mais permettent de contribuer de manière constructive à une solution collective de positionnement pour chaque utilisateur. L’objectif est de détecter collaborativement les satellites. La combinaison de différents signaux GNSS peut considérablement augmenter la sensibilité d'acquisition du récepteur. Malgré les avantages de cette approche, elle présente également des inconvénients tels que la charge de calcul élevée en raison du grand nombre de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Ainsi, le travail proposé dans cette thèse consiste à réduire la complexité du CD en optimisant la recherche de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Enfin, l'objectif est d'appliquer l'approche de détection collective au positionnement GNSS coopératif pour la navigation moderne dans des environnements difficiles. Pour cela, des algorithmes d'exploitation optimale des ressources du récepteur en sélectionnant les meilleurs satellites ou la station de référence seront développés selon certains critères tels que le niveau du rapport signal sur bruit (C/N_0), l’angle d’élévation des satellites ainsi que la configuration géométrique des satellites visibles. L’objectif final est de proposer une nouvelle architecture de récepteur cognitif de haute sensibilité permettant de recevoir de façon optimale les nouveaux signaux GNSS.

L'objectif est de cette thèse est de développer, de tester puis d'implémenter des schémas de surveillance et d'estimation des paramètres essentiels aux pilotes et aux lois embarquées, offrant ainsi une alternative et un complément aux signaux mesures par les capteurs. Les méthodes développées au cours de la thèse ont donc plusieurs finalités applicatives : estimer les états avion ainsi que des paramètres externes (comme le vent et les erreurs de modélisation), détecter la défaillance d'un ou plusieurs capteurs lorsqu'un dysfonctionnement se produit, et enfin s'adapter à cette dégradation de manière à continuer à délivrer des estimées exploitables par les systèmes sur un horizon temporel plus ou moins long. D'un point de vue pratique, dans le domaine de la détection, on cherchera à ce que le processus de détection d'une panne soit capable : 1) de distinguer une faute sur les sondes d'incidence d'une faute sur le paramètre de vitesse conventionnelle ou d’une erreur sur la masse renseignée par le pilote dès le début du vol. Une faute sur un de ces paramètres est aujourd'hui détectée sans qu'une isolation de la source ne soit possible 2) d'identifier des modes communs de panne, c'est-à-dire un embarquement simultané cohérent de plusieurs capteurs mesurant le même paramètre. La redondance matérielle utilisée aujourd'hui ne permet pas de détecter un embarquement simultané cohérent de deux ou trois capteurs 3) de sélectionner les sources toujours valides lorsque le schéma de vote majoritaire détecte une faute d'un capteur. Le schéma actuellement en usage sur avion combine les sources redondantes pour délivrer une mesure consolidée. En cas d'invalidation de celle-ci suite à la perte d'au moins deux capteurs, il est en effet possible que le troisième soit toujours valide et puisse être utilisé pour le reste du vol. Les bénéfices potentiels à plus long terme se situent donc dans l'amélioration des performances (en réduisant par exemple le nombre de commutations de lois), et dans la diminution de la charge de travail des pilotes en accroissant encore la disponibilité des fonctions de haut niveau destinées à les seconder et à alléger leur tâche (protections du domaine de vol, pilote automatique, etc.). La détection de modes communs de panne participera aussi à augmenter encore la sécurité en vol.

Les systèmes dits Sensor Webs sont des middlewares informatiques assurant la communication entre les capteurs et les applications. En tant que véritables médiateurs, la popularité de ces systèmes n’a cessé de grandir depuis l’apparition des tout premiers capteurs. Plus récemment, l’émergence de nouveaux paradigmes tels que l’Internet des Objets (IoT) a complètement révolutionné les systèmes basés sur les capteurs en général. Parmi eux, les Sensor Webs ne dérogent pas à cette règle et doivent désormais répondre à de nouveaux défis, notamment en termes d’intégration, de Qualité des Observations (QoO) et d’adaptation système. Dans ce travail de recherche, nous proposons une nouvelle génération de Sensor Webs capables d’adapter la QoO distribuée de manière autonomique et de manière spécifique à chaque application (QASWS). Premièrement, nous introduisons un framework générique destiné aux chercheurs et développeurs souhaitant concevoir leur propre solution QASWS. Dans un deuxième temps, nous instancions ce framework et proposons un prototype de plateforme d’intégration pour l’évaluation de la QoO à la demande (iQAS). Après avoir évalué ses performances, nous présentons trois cas d’utilisation pour la plateforme iQAS. Finalement, nous concluons cette étude en imaginant l’apport de certains paradigmes transverses vis-à-vis de la QoO dans un futur proche.