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Présentée par : ARZAG Kaddour
Intitulé
Calcul du champ électromagnétique rayonné par un coup de foudre à l’aide
de la méthode FDTD en trois dimensions
Année Universitaire : 2016/2017
Devant le Jury Composé de :
Faculté : Génie Electrique
Département :Electrotechnique
Spécialité :Electrotechnique
Option :Compatibilité Electromagnétique
Membres de Jury Grade Qualité Domiciliation
BOUTIBA Tahar Professeur
Président USTO-MB
AZZOUZ Zin-eddine
Professeur
Encadreur USTO-MB
FLAZI Samir Professeur
Examinateur USTO-MB
MIMOUNI Abdenbi Professeur
Examinateur
Univ. Tiaret
MAHI Djillali
Professeur
Examinateur
Univ. Laghouat
BENDAOUD Abdelber Professeur
Examinateur
Univ. Sidi Bel Abbes

i
Remerciements
Ce travail a été effectué au sein de l’équipe de compatibilité électromagnétique au
laboratoire de développement et d’entraînement électrique (LDEE) de l’Université des
Sciences et de Technologie « Mohamed Boudhiaf » d’Oran (USTO « MB »), sous la direction
du Professeur Zin-Eddine AZZOUZ. Je tiens à exprimer toutes mes sincères remerciements
et mes reconnaissances à son égard pour sa confiance en m’accueillant dans son équipe, et
de m’a donné la possibilité de mener ce travail dans des excellentes conditions. Comme je le
remercie vivement pour sa patience, ces conseils, ces grandes qualités scientifiques et
humaines et son professionnalisme qui m’ont aidé et guidé tout le long de ce travail.
J’adresse mes sincères remerciements et reconnaissances au Professeur Yoshihiro
BABA de l’Université Doshisha de Kyoto-Japon, pour son étroite collaboration durant mes
séjours au laboratoire d’analyse des réseaux électriques « PSAL » et pour l’occasion qu’il
m’a donné pour profiter de ces vastes compétences scientifiques, et aussi pour ces conseils et
commentaires utiles.
Mes sincères remerciements s’adressent au Professeur Akihiro AMETANI, Responsable
du laboratoire d’analyse des réseaux électriques « PSAL » à l’Université Doshisha, qui a eu
la gentillesse de m’envoyer une lettre d’accueil, ce qui m’a facilité l’obtention des stages en
Japon afin de finaliser ma thèse de Doctorat. Je profite cette occasion pour remercier aussi le
Prof. Naoto Nagaoka et le Dr. T. H. Thang pour leurs collaborations.
J’exprime ma reconnaissance au Professeur S. FLAZI de l’Université des Sciences et de
la Technologie d’Oran pour l’honneur qu’il m’a fait en présidant le jury de soutenance, qu’il
trouve ici l’expression de mes remerciements les plus vifs.
Ces remerciements et reconnaissances s’adressent également au Professeur T. BOUTIBA
de l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran qui a bien voulu juger mon ce
travail, que je lui présente ma profonde gratitude.
Je remercie très sincèrement le Professeur A. MIMOUNI de l’Université de Tiaret, pour
avoir accepté d’être membre de jury et d’examiner mon travail de la présente thèse. Qu’il
veuille bien être assuré de ma profonde gratitude et ma grande reconnaissance.

ii
J’adresse mes remerciements au Professeur D. MAHI de l’Université de l’Aghouat,
pour l’intérêt qu’il manifesté en honorant le jury de sa présence et en acceptant d’être l’un
des examinateurs. Je lui suis très reconnaissant et je lui présente ma profonde gratitude.
Mes remerciements s’adressent également au Professeur A. BENDAOUD de
l’Université de Sidi Bel Abbes, pour avoir accepté de participer au jury de ma thèse et
d’examiner mon travail. Je lui prie de trouver ici ma grande reconnaissance et ma grande
gratitude.
Je n’oublierais pas d’adresser mes remerciements à mes collègues et amis de Saida, de
l’USTO d’Oran et de l’Université Doshisha avec lesquels ce fut toujours agréable de
travailler.
Je ne terminerais pas sans associer à mes remerciements toute ma famille pour leur
soutien tacite, amicale et morale.

iii
Résumé
L’objectif de cette thèse est le développement d’un code de calcul du champ EM rayonné par
un coup de foudre, basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel en
trois dimensions 3D-FDTD. Ainsi, pour atteindre cet objectif, nous avons commencé par le
traitement des aspects théoriques liés au phénomène de foudre pour aborder ensuite la
modélisation du courant de foudre à travers une description détaillée des modèles du courant
de foudre notamment les modèles EM et les modèles de type Ingénieurs ; modèles qui ont été
mis en œuvre dans la suite du travail. Nous avons par la suite dressé un état de l’art sur les
différentes méthodes de calcul du champ EM rayonné par la foudre notamment la méthode
FDTD-3D, mise en œuvre dans le cadre de ce travail. La dernière partie de ce travail a été
consacrée à l’étude de la faisabilité d’une nouvelle approche de calcul du champ EM basée
sur la méthode FDTD-3D reposant sur la formulation de Taflove et l’utilisation des conditions
aux limites de type UPML. Un code de calcul tridimensionnel, sous environnement Matlab, a
été développé à cet effet et validé par comparaison des résultats de simulation avec des
résultats expérimentaux issus de la littérature. Nous nous sommes intéressés, ensuite, à l’étude
de l’influence de la nature du sol (sol monocouche de conductivité finie et infinie et sol
stratifié de conductivité finie) sur les formes d’ondes et les amplitudes du champ EM rayonné.
L’efficacité des modèles EM et d’ingénieurs a été aussi testée lors de cette étude. Des
conclusions intéressantes ont été tirées à la fin de ce travail relatives au calcul du champ EM
rayonné à l’aide de l’approche proposée.

iv
Table des matières
Introduction générale
1
Chapitre I : Phénoménologie et caractéristiques de la Foudre
I.1 Introduction 4
I.2 Phénoménologie
I.2.1 Formation des nuages-activité orageuse 4
I.3 Répartition des charges à l’intérieur d’un nuage-électrisation du nuage 5
I.4 L’effet de pointe 7
I.5 Coups de foudre 8
I.5.1 Les différents types de coups de foudre 8
I.5.2 Décharge nuage-sol 9
I.5.3 Déclenchement artificiel de la foudre 13
I.5.4 Allures expérimentales des courants de foudres et des champs
électromagnétiques associés 16
I.5.5 Ondes de foudre normalisées pour les tests d’équipements 28
I.5.6 Effets de la foudre sur les lignes aériennes 29
I.5.6.1 Taux de surtensions dues aux coups de foudre 29
a Surtensions due à un coup de foudre direct 30
b Surtensions dues à un coup de foudre indirect (surtensions
induites) 30
c Nombre de coups de foudre directs 30
d Nombre de surtensions induites par la foudre 31
I.5.6.2 Amplitudes et formes des surtensions dues à un coup de foudre
direct 32
a Ligne MT 32
b Ligne BT 33
I.5.6.3 Amplitudes et formes des surtensions induites par un coup de
foudre indirect 33
a Ligne MT 33
b Ligne BT 35
I.6 Conclusion 36
Chapitre II : Modélisation du courant de foudre
II.1 Introduction 37
II.2 Modélisation du courant à la base du canal de foudre
37
II.2.1 Modèle bi-exponentiel 37
II.2.2 Modèle d’Heidler 39
II.2.3 Modèle hybride (Heidler- bi-exponentiel) 42
II.3 Modèles du courant de l’arc en retour 43
II.3.1 Modèles d’ingénieurs 44
II.3.1.1 Modèle de Bruce et Golde (BG) (1941) 44
II.3.1.2 Modèle de la ligne de transmission (TL) 46
II.3.1.3 Modèle de la ligne de transmission modifié (MTL) 48