Doctorant Génie Electrique Et/ou Mécanique Et/ou

**SUJET DE THESE : Modélisation multi disciplinaire en vue de la conception optimale de propulseurs de type RIM-Driven**

**Laboratoire : IRENAV (équipe M2EN), IRDL**

**Encadrement** : MCF HDR J-F Charpentier, MCF F. Deniset, MCF P-M Guilcher

**Contexte**

Les systèmes de propulsion navale à entrainement circonférentiel ou « Rim-Driven » sont une solution de plus en plus envisagée pour la propulsion navale dans les domaines civils et militaires. Dans ces systèmes, le moteur électrique de propulsion est intégré dans une tuyère entourant l’hélice. Les pales de l’hélice sont liées par leur périphérie aux parties actives du rotor du moteur comme présenté à la figure 1. Depuis plus d’une dizaine d’années ces systèmes sont étudiés pour la propulsion des navires civils et militaires.

Figure 1 : Schéma de principe d’un propulseur Rim-Driven ([Cheng2019])

Ce mode d’intégration permet une amélioration significative du comportement du propulseur notamment sur les aspects compacité, discrétion, performances et fiabilité. Un autre intérêt est de pouvoir développer des systèmes sans arbres (ou « hubless »), ce qui permet entre autres d’envisager plus facilement des solutions originales comme par exemple l’intégration au sein du système d’hélices contrarotatives.

Ces systèmes peuvent présenter un grand intérêt pour la propulsion des navires civils ou militaires (sous-marins, navires de surfaces, véhicules autonomes). On peut notamment en espérer des gains significatifs en termes de compacité et discrétion. On peut penser par exemple à l’intégration de ces systèmes dans des pompes hélices pour sous-marins ou dans des AUV. C’est dans ce cadre que l’Agence Innovation Défense finance un projet qui implique les laboratoires IRDL et IRENAV, et qui a pour but de proposer des méthodologies de modélisation et de conception de ce type de système.

**Verrous scientifiques à aborder**

La modélisation et la conception de ce type de systèmes dans lesquels le comportement de ou des hélices de propulsion est intimement couplé à celui de la ou des machines électriques qui l’entraîne et à celui de la tuyère pose des défis scientifiques importants. Tout d’abord, le dimensionnement et le comportement de la tuyère sont conditionnés à la fois par des aspects hydrodynamiques (géométrie) et des aspects liés à l’électrotechnique (conditionnement et positionnement des parties actives du stator du moteur). D’autre part, un certain nombre de grandeurs liées aux points de fonctionnement et à la géométrie (vitesse, Diamètre, Couple) sont communs au moteur et à l’hélice. En effet si dans une association classique, la géométrie de l'hélice (en particulier le diamètre) est relativement indépendante des dimensions du moteur, ce n’est pas le cas dans une structure « RIM-Driven». Des compromis doivent donc être faits entre le fonctionnement de l'hélice et du moteur. Ceci est particulièrement vrai dans le cas d’une utilisation sur un ensemble de points de fonctionnement. Il y a également un fort couplage au niveau de l’interaction stator-rotor. En effet, l'anneau interne à la tuyère qui supporte les parties actives électromagnétiques du rotor (aimants et culasse) est directement fixé à l’extérieur des pales de l’hélice. Son épaisseur est donc conditionnée par le dimensionnement de la machine. Dans le cas d’un entrefer immergé (ce qui correspond à la solution la plus simple), l’entrefer peut par exemple contribuer significativement au refroidissement de la machine. L’écoulement dans cet entrefer immergé génère également des pertes visqueuses supplémentaires et doit être le plus petit possible au niveau électromagnétique.

L’interaction interdisciplinaire et le très fort couplage entre les différents éléments du système (machine électrique, hélice, palier, tuyère) nécessite de coupler des modèles électromagnétiques et thermiques de la machine avec des modèles hydrodynamiques et mécaniques de l’hélice sous tuyère, au contraire du faible couplage rencontré classiquement lors du dimensionnement d’une hélice pour une ligne propulsive classique. L’élaboration et l’utilisation de modèles pluridisciplinaires couplés et pertinents pour la conception de ces systèmes est un des verrous majeurs qui freinent le développement de ces systèmes.

Le sujet de thèse sera donc consacré à l’élaboration de modèles dédiés à la conception des systèmes et à leur association dans une procédure de conception optimale couplée (optimisation) sur un point ou un cycle de fonctionnement. Ces modèles devront être suffisamment légers pour être inclus dans des procédures d’optimisation (ils serviront au calcul des fonctions objectifs et contraintes liées au cahier des charges). Ils devront être, cependant, suffisamment précis pour représenter fidèlement les phénomèn