Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type " pompe à chaleur " en stockage ou " moteur thermique " en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.

Ce mémoire fait la synthèse de travaux que j'ai menés depuis près de 30 ans dans les domaines de la thermique des enceintes habitables et des applications de l'énergie solaire.<br /> La thermique des enceintes habitables (habitacles automobiles, bâtiments ...) a pour principales caractéristiques des grands volumes aux formes parfois complexes, un couplage fort des trois modes de transfert de chaleur et des conditions aux limites en constante évolution. Nous présentons ici une méthode numérique originale pour construire des simulateurs performants du comportement thermique des telles enceintes soumises à un environnement météorologique réel. Les équations sont écrites sous une forme algébro différentielle, en se basant sur une méthode nodale de découpage des volumes et des surfaces. La résolution est effectuée par un solveur commercial. Quelques exemples d'application, avec des validations expérimentales, illustrent les bons résultats obtenus par cette méthodologie. Cette méthodologie a été aussi appliquée au domaine des piles à combustible, et à d'autres applications industrielles où la thermique tient un rôle important. Les actions menées dans le cadre des recherches sur les applications solaires thermiques couvrent tous les niveaux de température. À basse température, nous présentons les travaux concernant la prise en compte des apports solaires dans les bâtiments, ainsi que la problématique du chauffage des locaux et de l'eau sanitaire. À haute température, obtenue par concentration du rayonnement solaire, nous faisons un résumé des résultats obtenus au cours de l'évaluation scientifique de la Centrale THEMIS, et décrivons les travaux de recherche en cours menés pour l'amélioration des performances des procédés solaires à concentration.

Les boucles de circulation naturelle d'hélium diphasiques sont utilisées comme systèmes de refroidissement d'aimants supraconducteurs de grande envergure, vus leurs avantages inhérents de sûreté et d'entretien. Des exemples sont le détecteur CMS au CERN (déjà en opération) ou les aimants du spectromètre R3B-GLAD au GSI (en installation). Une des préoccupations majeures lors du refroidissement par ébullition est la crise d'ébullition : la dégradation soudaine du transfert de chaleur pariétal au-delà d'une certaine valeur de flux de chaleur, dénommée critique. L'augmentation de température de paroi qui en résulte peut entraîner la perte de l'état supraconducteur de l'aimant.Les boucles de circulation naturelle à l'hélium ont déjà été étudiées expérimentalement et numériquement en régime permanent, spécialement en régimes pré-critiques (ébullition nucléée). Les travaux sur les transferts de masse et de chaleur en hélium en ébullition en régime transitoire présents dans la littérature ciblent principalement des systèmes de petites dimensions, des canaux très étroits ou trop courts, ou l'ébullition en bain. Bien que des comportements qualitativement similaires sont attendus, l'extrapolation de ces résultats à une boucle de circulation naturelle n'est pas évident, si possible. C'est pourquoi une étude particulière du comportement thermohydraulique transitoire de boucles d'hélium en circulation naturelle, lors d'une augmentation soudaine de la charge thermique, est nécessaire. Une partie de cette étude consiste en des expériences sur une boucle d'hélium diphasique en circulation naturelle de 2 m de haut, à 4,2 K. Deux sections chauffées verticales de diamètre différent (10 et 6 mm) et d'environ 1 m de longueur ont été testées. Les transitoires sont induits par une marche soudaine de puissance. Deux types de condition initiale ont été considérés : statique (sans puissance initiale), et en équilibre dynamique (puissance initiale non-nulle). L'évolution de la température de paroi le long de la section, le débit massique et la perte de charge a été mesurée. Parmi d'autres phénomènes, un fort intérêt a été porté au début de la crise d'ébullition. Les valeurs limites de flux de chaleur final auxquelles la crise arrive ont été déterminées. D'un côté, on a observé que la crise peut avoir lieu de façon temporaire ou permanente à une puissance appréciablement plus faible qu'en régime permanente. De l'autre côté, l'augmentation de la circulation initiale, à travers le flux de chaleur initial, peut inhiber partiellement ou totalement cette crise d'ébullition prématurée. On a déterminé que cette dégradation du transfert de chaleur est l'issu de deux phénomènes en compétition, véritablement inhérents à la circulation naturelle : une étape initiale d'accumulation uniforme de vapeur, avec inversion ou diminution de la vitesse d'entrée, et l'établissement ultérieur de la circulation, avec le transit d'un front froid depuis l'entrée. Une analyse semi-empirique nous a permis de déterminer un critère, basé sur l'évolution dynamique du profile spatial du titre massique, pour prédire le déclenchement de la crise. Néanmoins, il est nécessaire de connaître à priori l'évolution du débit massique pour pouvoir appliquer ce critère. La dernière partie de ce travail est dévouée à la production et validation de modèles et outils de calcul pour la simulation du comportement thermohydraulique d'un tel système. Deux options de modélisation sont présentées. L'une est une simplification des équations du modèle homogène 1D des écoulements diphasiques (mise en place en COMSOL) ; l'autre reprend le modèle homogène tel quel (programmé en C). Les simulations d'évolution du débit massique sont en assez bon accord avec les mesures, à l'exception d'un léger déphasage temporel. Ceci pourrait être dû à la combinaison d'un retard de l'instrumentation pour la mesure du débit et de l'inexactitude des hypothèses de base du modèle homogène lors de transitoires très violents. / Boiling helium natural circulation loops are used as the cooling system of large superconducting magnets because of their inherent safety and maintenance advantages. Examples are the cooling systems of the CMS detector solenoid magnet at CERN (already in operation) or the R3B-GLAD spectrometer magnet at GSI (in installation phase). A major concern in boiling cooling systems is that of boiling crisis: a sudden deterioration of the wall heat transfer takes place when the surface heat flux exceeds a certain value, called the critical heat flux (CHF). The resulting high temperatures on the wall could ultimately entail the loss of superconducting state of the magnet.Helium natural circulation loops have already been studied experimentally and numerically in steady state, especially in the pre-critical heat and mass transfer regimes (nucleate boiling). Works on transient boiling heat and mass transfer in helium present in the literature are mostly focused on small systems, very narrow channels, too short pipes or pool boiling. Although it is expected to find qualitative similarities with already observed behavior, the extrapolation to a natural circulation loop is not easy, if even possible. Hence the need for a particular study on the transient thermohydraulic behavior of helium natural circulation loops, after sudden increases in the heat load of the circuit.A part of this study consists of experiments conducted in a 2-meter high two-phase helium natural circulation loop at 4.2 K temperature. Two vertical heated sections with different diameters (10 and 6 mm) and around 1 m length were tested. Heat load transients were driven by a step-pulsed heat load. Transients with two types of initial conditions have been studied: static loop (no initial power applied) and in-dynamic-equilibrium loop (non-zero initial power applied). The evolutions of wall temperature along the heated section, total mass flow rate and pressure drop were measured. Among other phenomena, the nature of the onset of boiling crisis has received a special attention. The values of final heat flux limits for its occurrence have been determined. On the one hand, we observed that boiling crisis can take place in temporary or stable fashion at power significantly lower than in steady state. On the other hand, the increase of initial circulation, by raising initial heat flux, can inhibit partially or completely this power-premature boiling crisis. We could determine that this heat transfer deterioration is the result of two competing phenomena, veritably inherent to the natural circulation feature of the system: an initial stage of uniform vapor accumulation with inlet back-flow or velocity reduction, and the ulterior onset of circulation with the transit of a cold front from the entrance. A semi-empirical analysis of data allowed determining a criterion, based on the dynamic evolution of the quality profile in the section, to predict the incipience of boiling crisis. It became evident that it is necessary to know how the mass flow rate of the system is going to evolve, in order to apply the mentioned criterion.Hence, the other part of this work is aimed to the production and validation of models and calculation tools in order to simulate the thermohydraulic behavior of a two-phase helium natural circulation loop. Two modeling options are proposed. One of them consists of a simplification of the 1D two-phase homogeneous model equations (implemented in COMSOL) and the other of their full version (coded in C language). The simulated mass flow rate represents reasonably well the measured evolution except for a relatively small time phase-shift. This could be due to a combination of the delay of flow-metering instrumentation with the inaccuracy of the basic homogeneous model assumptions during violent transients.

L'industrie cherche en permanence à minimiser le temps et les coûts, à simplifier leur processus de fabrication tout en maximisant la qualité de leurs produits. Cette démarche s'applique pour l'industrie de la mise en forme des métaux. Dans ce contexte, un procédé innovant de mise en forme, le thixoforgeage, s'est développé, permettant d'obtenir des pièces de formes complexes aux qualités mécaniques élevées en minimisant le nombre de phases du processus de fabrication. Ce procédé utilise les propriétés de l'état semisolide des alliages métalliques, cet état étant obtenu par fusion partielle du solide. Dans le cadre de la mise en forme de l'acier à l'état semi-solide, les difficultés liées à la température de travail et la méconnaissance du comportement mécanique et thermomécanique du matériau rendent difficile le développement industriel du procédé. Cette thèse a l'ambition d'améliorer la compréhension du comportement de l'acier lors de sa mise en forme par thixoforgeage. L'objectif est également de développer l'exploitation du modèle original deux phases multiéchelle « micro-macro », et son implémentation dans les solveurs 2D et 3D de Forge 2007®. Pour atteindre cet objectif, des essais expérimentaux avec des dispositifs spécifiques et innovants ont été réalisés. Une étude paramétrique de l'opération de thixoforgeage a été mise en place. Les principaux paramètres de conduite du procédé ont été identifiés. Ces paramètres sont la vitesse de mise en forme, la température initiale de l'acier et la température initiale de l'outil. Pour chaque essai, l'évolution des efforts de mise en forme, la nature de l'écoulement et la qualité des pièces produites au travers de l'observation macrographiques et micrographiques de leur structure métallurgique et d'essais mécaniques, ont été étudiées. Des essais avec des outillages instrumentés ont également permis une caractérisation des échanges thermiques entre l'outil et la pièce lors de la mise en forme. Ce nombre important d'essais a permis de décrire l'influence et de montrer l'importance de ces paramètres dans la mise en forme par thixoforgeage. Ces essais ont également servi de base au recalage du modèle multiéchelle « micro-macro » et des coefficients d'échange thermique entre l'outil et la pièce. Les essais et les simulations ont été comparés afin de déterminer et améliorer la capacité prédictive du modèle implémenté dans le logiciel Forge2007®.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités. / Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.

Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université de Lorraine (France) et l'Université d'Oujda (Maroc). Les travaux réalisés concernent la modélisation de l'usinage par enlèvement de matière. Deux aspects importants de l'usinage ont été abordés : le processus de la formation de copeaux et les échanges thermiques à l'interface outil-copeau. Dans la première partie de la thèse, une modélisation par élément finis (EF) du processus de la coupe a été mise en place. La segmentation des copeaux a été particulièrement analysée grâce à l'introduction d'un nouveau paramètre, le Rapport d'Intensité de Segmentation, permettant de quantifier ce phénomène. Une corrélation entre la réduction de l'effort de coupe et l'intensité de segmentation a été établie. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l'étude des échanges thermiques à l'interface outil-copeau, qui contribuent entre autres à l'usure de l'outil de coupe. Un des points importants de l'étude est la mise en place d'une procédure d'identification hybride (analytique/numérique) permettant d'estimer le flux thermique transmis dans l'outil de coupe et de remonter au coefficient de partage de la chaleur à l'interface outil-copeau pour chaque vitesse de coupe. Avec les valeurs identifiées du coefficient de partage de la chaleur pour chaque vitesse de coupe, une loi d'échange thermique multi-branches a été proposée et ses paramètres identifiés. Cette loi donnant l'évolution du coefficient de partage de la chaleur en fonction de la vitesse de coupe a également été définie en fonction de la vitesse relative de glissement à l'interface outil-copeau dans le but de l'implanter dans un code de calcul EF. L'interface utilisateur VUINTER du code Abaqus/Explicit a été exploitée pour implanter la loi proposée, afin d'appréhender complètement le contact d'un point de vue mécanique et thermique. Il est désormais possible d'implanter via cette interface-utilisateur n'importe quelle autre loi de contact thermomécanique (frottement, coefficient de partage de la chaleur, etc.). L'implantation via la subroutine VUINTER a été validée sur des cas tests d'abord, et puis ensuite en usinage. Les résultats obtenus pour les flux thermiques avec cette nouvelle procédure sont en très bon accord avec les mesures expérimentales pour le couple outil-matière considéré : AA2024-T351/WC-Co / This PhD. thesis is realised in the framework of an international cooperation between the University of Lorraine (France) and the University of Oujda (Morocco). The work done concerns the modelling of machining process by material removal. Two important aspects of machining have been investigated: the chip formation process and the heat exchange at the tool-chip interface. In the first part of the thesis, a FE modelling of the cutting process has been established. Chips segmentation have been particularly analysed using à new parameter (Segmentation Intensity Ratio) allowing the quantification of the phenomenon. A correlation has been established between the cutting force reduction and the chip segmentation intensity. The second part of the thesis has been devoted to the study of heat exchange at the tool-chip interface, among other phenomena that contribute to the tool wear. One important point of the study is the establishment of a hybrid identification procedure (analytical/numerical) to estimate the heat flux transmitted into the cutting tool, and identification of the heat partition coefficient at the contact interface for each cutting speed. With identified values of the heat partition coefficient obtained by varying the cutting speed, a heat exchange multi-branch law has been proposed and parameters of this law have been identified. This law corresponds firstly to the evolution of the heat partition coefficient as a function of the cutting speed. Thereafter, it was defined in term of the relative sliding velocity at the tool-chip contact interface, in order to implement it in a FE code. The user interface VUINTER of Abaqus/Explicit has been used to implement the proposed law, to fully control the mechanical and thermal contact. It is henceforth possible to implement with this user interface any thermomechanical contact (friction, heat partition coefficient, etc.). The implementation via the user subroutine VUINTER was validated first on adequate tests, then on machining. The obtained results for heat fluxes with this new procedure are in good agreement with experimental measurements for the tool-workmaterial couple considered: AA2024-T351/WC-Co