Le but de ce mémoire de recherche est d'étudier les convections naturelle et mixte d'écoulements fluides, et de développer et valider des méthodes numériques pour le suivi d'interfaces afin de traiter plus tard des écoulements incompressibles de fluides immiscibles. Dans une première étape, une méthode numérique originale, basée sur des discrétisations Volumes Finis, est développée pour modéliser les écoulements à faible nombre de Mach et grands écarts de température. Trois applications physiques, portant sur l'écoulement d'air à travers des plaques verticales parallèles chauffées, sont étudiées. Nous avons montré que l'espacement optimal, correspondant au pic de flux de chaleur transféré d'un réseau de plaques parallèles isothermes refroidies par convection mixte, est plus faible que ceux obtenus en convections naturelle ou forcée lorsque la chute de pression à la sortie est constante. Nous avons également prouvé que les écoulements de convection mixte à débit imposé peuvent présenter des solutions physiques inattendues ; un modèle alternatif basé sur une pression totale imposée à l'entrée et une pression fixée à la sortie donne de meilleurs résultats. Pour des canaux soumis un flux de chaleur sur une paroi seule, le rayonnement de surface tend à supprimer l'apparition des recirculations à la sortie et à uniformiser les températures des parois. Dans une seconde étape, le modèle mathématique couplant les équations de Navier-Stokes incompressibles et la méthode Level-Set pour le suivi d'interfaces est développé. Des améliorations de la conservation du volume fluide par l'utilisation de schémas de discrétisation d'ordres élevés (ENO-WENO) pour l'équation de transport et des variantes de l'équation de la distance signée sont discutées / The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed

Le modèle numérique que nous avons développé au cours de cette thèse présente deux caractéristiques principales : un modèle dilatable pour l'eau et la prise en compte de domaines ouverts. Les difficultés associées au premier aspect concernent l'adaptation de la loi d'état de l’eau au modèle dilatable sous l’approximation à faibles nombres de Mach, tandis que celles associées au second sont relatives à la mise en œuvre de conditions aux limites numériques de sortie compatibles avec l'algorithme de projection utilisé. Les résultats de simulations d'écoulement de convection mixte en canal horizontal chauffé par le bas ont été confrontés à celles utilisant l'approximation de Boussinesq et aux expériences. / The 3D numerical model which we developed in this thesis presents two main features: a Low-Mach-Number approximation for water along with an open boundary condition formulation. Indeed, the difficulties related to the former point stand in a computationally efficient adaptation of the water equation of state in the framework of Low Mach number approximation, whereas the difficulties related to the latter concern the introduction of Open Boundary Conditions in the projection algorithm used. We have computed a mixed convection flow in a horizontal channel uniformly heated from below and compared the results obtained with both the Boussinesq approximation and experimental results.

En plus des aspects électrique, magnétique, vibro-acoustique et mécanique, les considérations thermiques doivent être prises en compte lors des phases de conception et d’optimisation des machines électriques. Ce mémoire se porte sur l’analyse et la simulation du comportement thermique des machines électriques Totalement Fermées et Non Ventilées (TFNV) et plus particulièrement sur le cas de la machine Synchro-réluctante (Synchrel), utilisée comme actionneur d’embrayage. Un modèle thermique détaillé (MTD), décrivant le comportement thermique de la machine Synchrel est conçu. Ce MTD proposé est construit grâce à une combinaison de la méthode à Constantes Localisées (CL) et d’une technique numérique de type Mécanique des Fluides Numériques (MFN). La première méthode est dédiée à la modélisation des transferts conductifs et radiatifs. La seconde permet de modéliser le mécanisme de refroidissement par convection naturelle autour de la machine Synchrel. Compte-tenu de l’importance du mode de refroidissement sur l’évolution des températures critiques, l’approche MFN peut apporter plus de précision. Par contre, elle nécessite des temps de calcul importants ce qui freine son utilisation. Afin de surmonter cette problématique, les résultats numériques obtenus pour des points de fonctionnement particuliers sont utilisés afin de définir des relations de corrélation analytiques. Cette analyse numérique est accompagnée d’une démarche expérimentale afin d’élaborer les corrélations expérimentales correspondantes. L’étude montre que les solutions numériques peuvent converger vers des solutions plus précises si l’on tient compte des données d’incertitudes introduites par cette approche. La deuxième problématique traitée est la détermination des Résistances Thermiques de Contact (RTCs) des machines électriques. Elles constituent des paramètres clefs dans la définition du MTD complet. La démarche de détermination des RTCs est basée sur deux approches d’identification paramétrique. La première est basée sur des observations expérimentales du comportement thermique de la machine. La seconde est basée sur une approche mathématique de réduction de modèle. Les valeurs déterminées sont cohérentes avec la littérature, bien que la machine Synchrel diffère en topologie, taille et puissance. En utilisant la corrélation d’origine numérique du phénomène de convection externe, le MTD complet est alors utilisé afin d’évaluer la variation de température due à l’erreur introduite par la MFN. En utilisant la corrélation expérimentale, le MTD complet est validé. Les approches d’identification paramétrique conduisent à la construction de deux modèles thermiques de second ordre de la machine. Ces modèles permettent la surveillance du comportement thermique du bobinage et du carter. Ces deux modèles simplifiés font montre d’une prédictibilité satisfaisante au regard de leur simplicité. / In addition to electrical, magnetic, vibro-acoustic and mechanical aspects, thermal considerations must be taken into account during the design and optimization of electrical machines. This study focuses on the analysis and the simulation of the thermal behavior of Totally Enclosed Non Ventilated (TENV) electric machines, specifically a Synchro-reluctant motor (Synchrel) in the context of an automotive application : a clutch actuator. A detailed thermal model (MTD) describing the thermal behavior of the Synchrel machine is designed. This proposed MTD is based on a combination of the Lumped Parameter Thermal Network method (LPTN) and the Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The first method is dedicated to model the conductive and radiative heat transfers. CFD techniques are dedicated to model the cooling mechanism based on the natural convection around the Synchrel machine. Since the critical temperature is very sensitive to the cooling mode, the CFD approach is used in this study to provide more accurate results. On the other hand, it requires considerable computing time, which prevents its use in design studies based on optimization methods. In order to overcome this problem, only some numerical results obtained for particular operating points are used to define an analytical correlation based on the numerical calculation relations. This numerical analysis goes with an experimental approach in order to elaborate the corresponding experimental correlations. This study shows that numerical solutions can present a good accuracy, if uncertainty data introduced by this approach are taken into account. The second research problem addressed in this study is the determination of the Contact Thermal Resistances (RTCs), which are key parameters in the definition of the MTD. The determination procedure of the RTCs is based on two parametric identification approaches. The first one is experimental and based on some observations of the thermal behavior of the machine. The second one is based on a mathematical model reduction approach. The determined values are consistent with results from literature, although the Synchrel machine differs in topology, size and power. Using the numerical correlations, the MTD is used to evaluate the temperature deviation due to error terms introduced by the CFD approach. Then, using these experimental correlations, the MTD’s quality can be checked and approved. Parametric identification approaches lead to the construction of two secondorder thermal models of the machine. These models allow monitoring the thermal behavior of the winding and the casing. Both simplified models show satisfactory predictability with respect to their great simplicity.

Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement. / This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost.

The problem of laminar and turbulent conjugate mixed convection flow and heat transfer in shallow enclosures with a series of block-like heat generating components is studied numerically for a Reynolds number range of zero (pure natural convection) to typically 106, Grashof number range of zero (pure forced convection) to 1015 and various block-to-fluid thermal conductivity ratios, with air as the working medium. The shallow enclosure has modules consisting of heat generating elements, air admission and exhaust slots. Two problems are considered. In the first problem, the enclosure has free boundaries between the modules and in the second problem, there are partitioning walls between the different modules. The flow and temperature distributions are taken to be two-dimensional. Regions with the same velocity and temperature distributions can be identified assuming repeated placement of the blocks and fluid entry and exit openings at regular distances, neglecting end wall effects. One half of such rectangular region is chosen as the computational domain taking into account the symmetry about the vertical centreline. On the basis of the assumption that mixed convection flow is a superposition of forced convection flow with finite pressure drop and a natural convection flow with negligible pressure drop, the individual flow components are delineated. The Reynolds number is based on forced convection velocity, which can be determined in practice from the fan characteristics. This is believed to be more meaningful unlike the frequently used total velocity based Reynolds number, which does not vanish even in pure natural convection and which makes the fan selection difficult. Present analysis uses three models of turbulence, namely, standard k-ε (referred to as Model-1), low Reynolds number k-ε (referred to as Model-2) and an SGS kinetic energy based one equation model (referred to as Model-3). Results are obtained for aiding and opposing mixed convection, considering also the pure natural and pure forced convection limiting cases. The results show that higher Reynolds numbers tend to create a recirculation region of increasing strength at the core region and that the ranges of Reynolds number beyond which the effect of buoyancy becomes insignificant are identified. For instance, in laminar aiding mixed convection, the buoyancy effects become insignificant beyond a Reynolds number of 500. Results are presented for a number of quantities of interest such as the flow and temperature distributions, local and average Nusselt numbers and the maximum dimensionless temperature in the block. Correlations are constructed from the computed results for the maximum dimensionless temperature, pressure drop across the enclosure and the Nusselt numbers.

<p>Severe accidents in a Light Water Reactor (LWR) have been a subject of the research for the last three decades. The research in this area aims to further understanding of the inherent physical phenomena and reduce the uncertainties surrounding their quantification, with the ultimate goal of developing models that can be applied to safety analysis of nuclear reactors. The research is also focusing on evaluation of the proposed accident management schemes for mitigating the consequences of such accidents.</p><p>During a hypothetical severe accident, whatever the scenario, there is likelihood that the core material will be relocated and accumulated in the lower plenum in the form of a debris bed or a melt pool. Physical phenomena involved in a severe accident progression are complex. The interactions of core debris or melt with the reactor structures depend very much on the debris bed or melt pool thermal hydraulics. That is why predictions of heat transfer during melt pool formation in the reactor lower head are important for the safety assessment.</p><p>The main purpose of the present study is to advance a method for describing turbulent natural convection heat transfer of a melt pool, and to develop a computational platform for cost-effective, sufficiently-accurate numerical simulations and analyses of Core Melt-Structure-Water Interactions in the LWR lower head during a postulated severe core-melting accident.</p><p>Given the insights gained from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, a physics-based model and computationally-efficient tools are developed for multi-dimensional simulations of transient thermal-hydraulic phenomena in the lower plenum of a Boiling Water Reactor (BWR) during the late phase of an in-vessel core melt progression. A model is developed for the core debris bed heat up and formation of a melt pool in the lower head of the reactor vessel, and implemented in a commercial CFD code. To describe the natural convection heat transfer inside the volumetrically decay-heated melt pool, we advanced the Effective Convectivity Conductivity Model (ECCM), which was previously developed and implemented in the MVITA code. In the present study, natural convection heat transfer is accounted for by only the Effective Convectivity Model (ECM). The heat transport and interactions are represented through an energy-conservation formulation. The ECM then enables simulations of heat transfer of a high Rayleigh melt pool in 3D large dimension geometry.</p><p>In order to describe the phase-change heat transfer associated with core debris, a temperature-based enthalpy formulation is employed in the ECM (the phase-change ECM or so called the PECM). The PECM is capable to represent possible convection heat transfer in a mushy zone. The simple approach of the PECM method allows implementing different models of the fluid velocity in a mushy zone for a non-eutectic mixture. The developed models are validated by a dual approach, i.e., against the existing experimental data and the CFD simulation results.</p><p>The ECM and PECM methods are applied to predict thermal loads to the vessel wall and Control Rod Guide Tubes (CRGTs) during core debris heat up and melting in the BWR lower plenum. Applying the ECM and PECM to simulations of reactor-scale melt pool heat transfer, the results of the ECM and PECM calculations show an apparent effectiveness of the developed methods that enables simulations of long term accident transients. It is also found that during severe accident progression, the cooling by water flowing inside the CRGTs plays a very important role in reducing the thermal load on the reactor vessel wall. The results of the CFD, ECM and PECM simulations suggest a potential of the CRGT cooling as an effective mitigative measure during a severe accident progression.</p>

Severe accidents in a Light Water Reactor (LWR) have been a subject of intense research for the last three decades. The research in this area aims to reach understanding of the inherent physical phenomena and reduce the uncertainties in their quantification, with the ultimate goal of developing models that can be applied to safety analysis of nuclear reactors, and to evaluation of the proposed accident management schemes for mitigating the consequences of severe accidents.  In a hypothetical severe accident there is likelihood that the core materials will be relocated to the lower plenum and form a decay-heated debris bed (debris cake) or a melt pool. Interactions of core debris or melt with the reactor structures depend to a large extent on the debris bed or melt pool thermal hydraulics. In case of inadequate cooling, the excessive heat would drive the structures' overheating and ablation, and hence govern the vessel failure mode and timing. In turn, threats to containment integrity associated with potential ex-vessel steam explosions and ex-vessel debris uncoolability depend on the composition, superheat, and amount of molten corium available for discharge upon the vessel failure. That is why predictions of transient melt pool heat transfer in the reactor lower head, subsequent vessel failure modes and melt characteristics upon the discharge are of paramount importance for plant safety assessment.  The main purpose of the present study is to develop a method for reliable prediction of melt pool thermal hydraulics, namely to establish a computational platform for cost-effective, sufficiently-accurate numerical simulations and analyses of core Melt-Structure-Water Interactions in the LWR lower head during a postulated severe core-melting accident. To achieve the goal, an approach to efficient use of Computational Fluid Dynamics (CFD) has been proposed to guide and support the development of models suitable for accident analysis.   The CFD method, on the one hand, is indispensable for scrutinizing flow physics, on the other hand, the validated CFD method can be used to generate necessary data for validation of the accident analysis models. Given the insights gained from the CFD study, physics-based models and computationally-efficient tools are developed for multi-dimensional simulations of transient thermal-hydraulic phenomena in the lower plenum of a LWR during the late phase of an in-vessel core melt progression. To describe natural convection heat transfer in an internally heated volume, and molten metal layer heated from below and cooled from the top (and side) walls, the Effective Convectivity Models (ECM) are developed and implemented in a commercial CFD code. The ECM uses directional heat transfer characteristic velocities to transport the heat to cooled boundaries. The heat transport and interactions are represented through an energy-conservation formulation. The ECM then enables 3D heat transfer simulations of a homogeneous (and stratified) melt pool formed in the LWR lower head. In order to describe phase-change heat transfer associated with core debris or binary mixture (e.g. in a molten metal layer), a temperature-based enthalpy formulation is employed in the Phase-change ECM (so called the PECM). The PECM is capable to represent natural convection heat transfer in a mushy zone. Simple formulation of the PECM method allows implementing different models of mushy zone heat transfer for non-eutectic mixtures. For a non-eutectic binary mixture, compositional convection associated with concentration gradients can be taken into account. The developed models are validated against both existing experimental data and the CFD-generated data. ECM and PECM simulations show a superior computational efficiency compared to the CFD simulation method. The ECM and PECM methods are applied to predict thermal loads imposed on the vessel wall and Control Rod Guide Tubes (CRGTs) during core debris heatup and melting in a Boiling Water Reactor (BWR) lower plenum. It is found that during the accident progression, the CRGT cooling plays a very important role in reducing the thermal loads on the reactor vessel wall. Results of the ECM and PECM simulations suggest a high potential of the CRGT cooling to be an effective measure for severe accident management in BWRs. / <p>QC 20100812</p>

Cette étude concerne la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et le développement d’un système de stockage pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle. L’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP) permet d’atteindre une densité énergétique élevée et de restituer la chaleur à température constante. Cependant, leur faible conductivité thermique impose d’améliorer les transferts thermiques, notamment par l’utilisation d’échangeurs à surface augmentée. Le but est de comprendre le comportement de tels échangeurs en régime transitoire au contact de MCP. Une étude expérimentale à basse température, où quatre échangeurs de type tube-calandre ont été testés avec différentes orientations (horizontale/verticale) et injections (haut/bas), a mis en évidence des phénomènes de transfert thermique importants, comme la convection naturelle à la charge et la contraction volumique à la décharge. Ces observations ont été validées par un modèle CFD tridimensionnel. Une méthode de comparaison des performances basée sur un calcul d’énergie par le biais d’un maillage expérimental est proposée et permet de sélectionner un échangeur selon les critères de densités énergétiques, de temps caractéristique et de coût. Trois MCP, envisagés pour l’application, ont alors été testés à température réelle (100-200 °C) au contact d’un échangeur tube inox à ailettes transverses en aluminium pour évaluer leur cyclabilité et comparer leur comportement. Le mélange de sels, H105 (Tfusion = 122 °C), n’est pas retenu pour l’application à cause de sa faible densité énergétique (≈ 56 kWh/m3) et sa plage de fusion trop étalée. L’acide sébacique (Tfusion = 132 °C) a un comportement répétable au cours des cycles et une densité énergétique plus élevée (≈ 66 kWh/m3). L’alcool de sucre, l’érythritol (Tfusion = 118 °C), présente de bonnes thermo-physiques (128 kWh/m3) mais la maîtrise de sa cristallisation est un point clé pour l’utiliser en tant que MCP. / This PhD thesis deals with the understanding of the heat transfer mechanisms and with the development of thermal energy storage system for the industrial waste heat recovery application. The use of Phase Change Materials (PCM) is attractive for its high storage density and its possibility to deliver heat at constant temperature. However, the PCM low thermal conductivity leads to develop heat transfer improvement methods, such as heat exchangers with increased heat transfer surface. The goal is to characterize the behavior of such heat exchangers An experimental study, where four several heat exchangers have been tested with different orientations (horizontal/vertical) and injection types (upward/downward), highlighted the impact of natural convection during the melting process and the volume contraction one during the solidification. These results have been validated through a 3D numerical model. A performance comparison method based on an energy calculation through an experimental mesh is proposed and enables to select a heat exchanger on criteria such as the storage density, the characteristic time and the cost. Three PCM, adapted to our application, have been tested at the intended temperature (100-200 °C) by integrating them into a storage system made of a stainless steel tube with aluminum circular fins. Their ability to resist to repeated cycles has been assessed and their behavior has been compared. The salts mixture, H105 (Tmelting = 122 °C), is not selected for the application because of it low storage density (≈ 56 kWh/m3) and its large melting area. The sebacic acid (Tmelting = 132 °C) has a repeatable behavior with cycles and a higher storage density (≈ 66 kWh/m3) and is appropriate as storage material. The sugar alcohol, erythritol (Tmelting = 118 °C), has good thermo-physical properties (128 kWh/m3) but the crystallization control is a key point to use it as a PCM.

Un nouveau modèle de turbulence adapté aux écoulements turbulents soumis à laflottabilité a été développé en utilisant la configuration du canal plan vertical différentiellementchauffé comme référence. L’étude des DNS disponibles pour chacun des régimes de convection amontré les défauts des relations constitutives classiques conduisant à la mauvaise représentationdes écoulements de convection naturelle. Ces modèles ne prennent en compte ni le couplage deschamps thermique et dynamique ni l’anisotropie de l’écoulement, tout deux induits par la flottabilité.Une approche algébrique a donc été utilisées. L’hypothèse d’équilibre local a été validéedans une large partie du canal sauf dans la région de paroi et au voisinage d’un gradient devitesse nul, quel que soit le régime de convection. Les modèles homogènes et pariétaux pour lescorrélations de pression ont été étudiés et sélectionnés. Deux modèles EARSM et EAHFMprenant en compte les termes de flottabilité ont été développés. Ces modèles intègrent aussi destraitements spécifiques à la paroi reposant sur la pondération elliptique. Ils sont couplés à unmodèle corrigé pour mieux représenter le pic d’énergie cinétique turbulente prèsde la paroi. Le modèle complet a été confronté aux DNS sur la configuration du canal pourchacun des régimes de convection à travers des tests a priori et des calculs complets montrantdes résultats très encourageants et de meilleures prévisions que les modèles classiques. / A new turbulence model dedicated to buoyant flows is developped using the differentiallyheated vertical plane channel flow configuration as test case. For each convection regime,the examination of available DNS databases pointed out the failure of classical modeling topredict buoyant flows. Neither the coupling between thermics and dynamics nor the anisotropy,both due to the buoyancy, are considered by these models. So, algebraic models are used. Theweak equilibrium assumption is validated in a large part of the channel except in the wall regionand close to zero velocity gradient whatever the convection regime. The wall and homogeneousmodels for the pressure terms are investigated and selected. Then, an EARSM and an EAHFMare developped to include the buoyant terms. These models both include wall treatments. Theyare coupled with a model modified to improve the representation of the turbulentkinetic energy maximum close to the wall. The complete model is finally compared to theDNS on the channel flow configuration for all convection regime thanks to a priori tests andcomplete computations, showing encouraging results and better predictions than classical models

La caractérisation des circulations thermo-convectives dans les milieux naturels est particulièrement étudiée pour ses applications industrielles, notamment en géothermie. Cette caractérisation correspond à deux enjeux liés à (i) la détection des remontées hydrothermales et (ii) la quantification de l'énergie évacuée par le système actif. La méthodologie proposée par cette thèse comporte ainsi deux volets. Le premier volet vise la localisation des systèmes actifs par caractérisation géophysique de sub-surface. Les techniques de prospection mises en œuvre sont la tomographie de résistivité électrique (TRE), la mesure in situ de température et la mesure de polarisation spontanée (PS). L'objet étudié dans cette thèse est la remontée hydrothermale située au niveau de la limite supérieure de l'effondrement de Rina Grande, au sommet du volcan Stromboli. L'approche géophysique de sub-surface comprend une cartographie spatiale (à l’échelle métrique) en TRE, PS et température et un suivi temporel des signaux PS et thermique. La cartographie spatiale nous renseigne sur l'extension spatiale du système hydrothermal (TRE) et le caractère actif des circulations (PS et température). Le modèle de résistivité électrique a été amélioré en tenant compte de la topographie, issue d'un Modèle Numérique de Terrain généré par photogrammétrie. Le traitement des données de surveillance montre qu'une relation linéaire lie le signal thermique et le signal PS, une relation qui ne peut être purement thermo-électrique. Le jeu de données temporel met l'accent sur la dynamique du système convectif et notamment la probable dépendance de la vigueur du système convectif avec les variations saisonnières de température atmosphérique. Le second volet vise à quantifier l'énergie évacuée par des systèmes thermo-convectifs à l'aide d'une approche numérique. L'approche géophysique met en évidence le fait que les zones endommagées telles que des limites structurales favorisent la circulation des fluides hydrothermaux. Ceci s'explique par le fait que fractures, failles ouvertes, zones d'altération etc. changent à petite échelle la perméabilité du milieu. L'approche numérique est donc vouée à la simulation 3D de l'écoulement et du transfert de chaleur dans des milieux poreux fracturés. Le travail s'est basé sur un code d'écoulement en milieux poreux fracturé pré-existant. Ce code a été adapté afin de résoudre le problème thermique. L'étude théorique vise à quantifier l'influence des paramètres du réseau de fractures sur l'énergie dissipée. L'influence de la densité de fractures, de la transmissivité de fractures et l'anisotropie du réseau de fractures sont évaluées. L'étude compare également les flux de chaleur dégagés par des modèles où les fractures sont insérées de manière discrète avec des modèles homogènes et de même propriétés macroscopiques (approche effective). Les résultats montrent que la validité de l'approche effective est fortement dépendante des paramètres du réseau de fracture. / The characterization of thermo-convective circulations in natural environments is particularly studied especially for geothermal applications. This characterization corresponds to two issues related to (i) the detection of the hydrothermal flows(ii) the quantification of the energy discharged by the active system. The methodology proposed by this thesis thus comprises two parts. The first component aims at locating active systems with geophysical methods. The prospecting techniques used are electrical resistivity tomography (ERT), in situ temperature measurement and self potential (SP) measurements. The object studied in this thesis is the hydrothermal system located at the upper limit of the Rina Grande sector collapse, at the top of the Stromboli volcano. The sub-surface geophysical approach includes spatial (metric) mapping in ERT, SP and temperature, and monitoring of SP and thermal signals. Spatial mapping informs us about the spatial extension of the hydrothermal system (ERT) and the active character of the circulations (SP and temperature). The model of electrical resistivity has been improved taking into account the topography, resulting from a Digital Elevation Model generated by photogrammetry. The treatment of the monitoring data shows that a linear relationship links the thermal and the PS signals, a relationship that can not be entirely due to thermoelectric effect. The temporal dataset focuses on the dynamics of the convective system and in particular the probable dependence of the vigor of the convective system on seasonal variations in atmospheric temperature.The second part aims at quantifying the energy released by thermo-convective systemsusing a numerical approach. The geophysical approach highlights the fact that damaged areas such as structural boundaries favor the circulation of hydrothermal fluids. This is due to the fact that fractures, open faults, alteration zones, etc. change the permeability of the medium on a small scale. The numerical approach is therefore dedicated to the 3D simulation of the flow and heat transfer in fractured porous media. The work is based on a pre-existing code in fracturing porous media, able to solve the flow problem. This code has been adapted to solve the thermal problem also. The theoretical study aims to quantify the influence of fracture network parameters on the released energy. The influence of fracture density, fracture transmissivity and fracture network anisotropy are evaluated. The study also compares the heat fluxes generated by models where the fractures are discretely inserted with homogeneous models with the same macroscopic properties (effective approach). The results show that the validity of the effective approach is highly dependent on the parameters of the fracture network.