Ce mémoire présente un modèle mathématique et numérique pour analyser le comportement d’une unité de stockage thermique à changement de phase solide-liquide représentée par un tube autour duquel se trouve le matériau à changement de phase. Le système est soumis à une charge oscillant entre le chauffage et le refroidissement. Une analyse d’ordre de grandeur permet de prédire le comportement du système en fonction des principaux nombres adimensionnels. Un paramètre adimensionnel est proposé pour délimiter les concepts dans lesquels la conduction domine par rapport à ceux où la convection naturelle domine. L’étude dévoile l’impact des paramètres de conception de l’unité de stockage thermique sur son fonctionnement et approfondit les connaissances dans le domaine du changement de phase avec convection naturelle. Différents indicateurs ont été développés pour analyser la performance du système, tels que les dimensions de la zone affectée thermiquement, le volume fondu ou solidifié et une analyse fréquentielle. Des corrélations sont proposées pour déterminer facilement le comportement du système. / This master thesis presents a mathematical and numerical model to analyze the behavior of a latent solid-liquid heat storage unit represented by a tube surrounded by phase change material. The system is undergoing an oscillating load of heating and cooling. A scale analysis predicts the behavior of the system with regard to the main governing dimensionless numbers. A normalized parameter is proposed to delineate designs in which conduction dominates compared to those in which natural convection dominates. The study reveals the impact of major thermal storage unit design parameters on its operation and deepens our knowledge in the field of phase change with natural convection. Various indicators, such as the size of the thermally affected zone around the tube, the molten or solidified volume and a frequency analysis, have been developed to analyze the system performance. Correlations are proposed to easily determine the system behavior.

Les matériaux à changement de phase (MCP) sont utilisés dans une vaste gamme d’applications dans lesquels ils peuvent servir, entre autres, au stockage d’énergie thermique sous forme latente. Les changements de phase liquide-solide ont été le sujet de plusieurs études dans les dernières décennies autant au niveau expérimental que numérique. Puisque la matière est organisée différemment à l’échelle moléculaire, les propriétés physiques des phases solides et liquides sont différentes. En particulier, les variations de densité lors du changement de phase entraînent des variations de volume, i.e., le MCP peut se dilater ou se contracter selon de la densité relative de chaque phase. Cependant, les variations de volume sont négligées dans la plupart des études sur le changement de phase solide-liquide. La complexité additionnelle et les défis associés à la modélisation mathématique et numérique du changement de phase solide-liquide avec les variations de densité sont tels que seulement un petit nombre d’études sur ce sujet sont disponibles dans la littérature, spécialement lorsque le MCP interagit avec ses frontières physiques (couplage thermomécanique). L’objectif de cette thèse est donc de contribuer à l’avancement des connaissances en ce qui a trait à la modélisation mathématique et numérique des changements de phase solide-liquide lorsque les variations de densité et le couplage thermomécanique entre le MCP et son contenant sont pris en considération. Dans un premier temps, un nouvel ensemble d’équations de conservation est établi pour le changement de phase solide-liquide avec différentes propriétés pour chaque phase, particulièrement la densité. En représentant la zone pâteuse comme un milieu poreux (de façon similaire au modèle enthalpique), des équations de conservation macroscopiques moyennées sont développées en appliquant une méthode de moyenne volumique (« volume averaging ») aux équations de conservation exactes pour les phases solides et liquides à l’échelle des pores. Le choix de l’hypothèse pour la vitesse de la phase solide dans la zone pâteuse (stationnaire ou mobile) se fait grâce à un seul paramètre numérique. Des simulations ont été effectuées avec un code de volumes finis dans Matlab pour un problème de solidification unidimensionnel afin de mettre en évidence les différences entre le nouveau modèle et le modèle enthalpique existant. Dans un deuxième temps, le modèle mathématique développé dans la première partie de cette thèse a été modifié pour prendre en compte les interactions entre le MCP et ses frontières physiques. Deux nouveaux modèles de couplage thermomécanique ont été introduits. Dans le premier, il a été supposé que la dilatation du MCP est contrainte par un mur élastique et que l’augmentation de pression dans le MCP suit une loi de Hooke modifiée. Dans le second modèle, une cavité d’air a été introduite au-dessus du MCP pour faciliter l’expansion de ce dernier. Des corrélations analytiques ont été développées afin de prédire certaines quantités physiques d'intérêt à l’équilibre, comme l’augmentation de pression dans le MCP, la température de fusion, la hauteur du MCP, etc. Le code de volumes finis implémenté sur Matlab dans la première partie de ce travail a été modifié par l’ajout d’une technique de maillage mobile (« moving mesh ») pour accommoder les variations de volume du MCP. Le problème étudié était la solidification d’une couche unidimensionnelle de MCP d’une hauteur finie. Les résultats numériques ont été comparés aux prédictions analytiques à l’équilibre et ils s’avèrent être en accord. Dans un dernier temps, le modèle comprenant le mur élastique a été appliqué au problème de solidification de l’eau près de son extremum de densité dans une cavité bidimensionnelle avec convection naturelle. Le modèle complet a été implémenté dans un logiciel de CFD commercial (Fluent). Une nouvelle méthodologie a été développée afin d’améliorer les capacités du logiciel. Le couplage thermomécanique a été accompli grâce à plusieurs « User-Defined Functions » (UDF). L’effet du confinement de l’eau lors de la solidification dans la cavité a été étudié en faisant varier la rigidité du mur élastique. Il a été démontré que l’augmentation de pression résultante du couplage thermomécanique influence de façon significative l’écoulement et le taux de solidification de MCP. / Phase change materials (PCM) are commonly used in a vast range of engineering applications in which they can serve, for example, as a way of storing thermal energy in the form of latent energy. Solid-liquid phase change has been the subject of many studies in the past decades both experimentally and numerically. Due to the different ways in which matter is organized at the molecular level, the physical properties of the solid and liquid phases are different. In particular, the density variations during phase change leads to volume variations, i.e., the PCM will either expand or shrink, depending on the relative density of each phase. In most studies, however, volume variations during solid-liquid phase change were deemed negligible and were not taken into account. The additional complexity and the challenges associated with the mathematical and numerical modeling of solid-liquid phase change with variable density are such that only a handful of studies on the topic may be found in literature, especially in the case where the PCM interacts with its physical boundaries (thermo-mechanical coupling). The goal of this thesis is therefore to contribute to the state of the art in terms of mathematical and numerical modeling of solid-liquid phase change when both density variations and thermo-mechanical coupling between the PCM and its container are taken into account. First, a new set of conservation equations is derived for solid-liquid phase change with different properties for each phase, especially the density. By representing the mushy region of the PCM as a porous medium (similarly to the well-known enthalpy-porosity model), macroscopic average conservation equations are developed by applying a method of volume averaging to the exact conservation equations for the solid and liquid phases at the pore level. The choice of the assumption regarding the velocity of the solid phase within the mushy region (stationary or moving) is achieved by the use of a single numerical parameter. Numerical simulations of a 1D solidification problem were performed with a finite volume code on Matlab to outline the differences between the new model and the existing enthalpy-porosity model. Then, the mathematical model developed in the first part of this thesis was extended in order to account for the interaction of the PCM with its physical boundaries. Two new models for the thermo-mechanical coupling were introduced. In the first model, it was assumed that the PCM expansion was constrained by an elastic wall and that the pressure rise within the PCM followed a modified Hooke’s law. In the second model, an air gap was introduced on top of the PCM in order to allow the latter to expand more easily. Analytical correlations were derived to predict relevant physical quantities at equilibrium, such as the pressure rise within the system, the melting temperature, the height of the PCM slab, etc. The finite volume code developed during the first part of this work was extended with a moving mesh technique to accommodate the volume variations of the PCM. The problem studied was the solidification of a 1D PCM slab of finite height. The numerical results were compared against the analytical predictions at equilibrium and showed good agreement. Finally, the elastic wall model introduced in the previous part of the thesis was applied to the problem of solidification of water near its density extremum in a 2D cavity with natural convection. The complete model was implemented in commercial software package (Fluent). A new methodology was developed in order to improve the capabilities of the software and the thermo-mechanical coupling was achieved with the help of a set of User-Defined Functions (UDF). The effect of the confinement of water as it solidifies inside the cavity was studied by varying the stiffness of the elastic wall. It was shown that the pressure rise resulting from the thermo-mechanical coupling significantly influences the flow pattern and the solidification rate of the PCM.

L’étude des propriétés physico-chimiques des matières grasses constitue une demande mondiale croissante liée à l’augmentation constante de leur utilisation comme source d'énergie et pour l'alimentation. Une bonne connaissance de leurs propriétés thermophysiques et de leur comportement de phases est nécessaire pour la production, l'utilisation efficace de ces matières grasses et le développement des processus d'extraction au niveau du raffinage et du stockage. Des données d'équilibre solide-liquide peuvent être utilisées pour améliorer les procédés existants, et également pour le développement des nouveaux procédés de séparation. Ainsi, le point d'éclair est une propriété importante qui doit être observée pendant le stockage, le transport et la production de composés inflammables, tels que le biodiesel. Ce travail vise à étudier l'équilibre solide-liquide de mélanges binaires constitués d'alcools gras, d’acides gras et d’esters éthyliques. Il porte aussi sur l'évaluation du point d’éclair de mélanges d'esters éthyliques, constituants majoritaires du biodiesel, et de l'éthanol, présent à des niveaux résiduels dans le biodiesel. Les points d’éclair des esters éthyliques mais également des mélanges binaires d'esters éthyliques et d’éthanol, ont été déterminés expérimentalement. Un modèle empirique de prédiction des points d’éclair des biodiesels en fonction de leur composition et de leur teneur en éthanol a été proposé. Les diagrammes de phases solide-liquide des mélanges binaires d'alcool gras + alcool gras ou d’alcools gras + acide gras ont été déterminés expérimentalement par analyse calorimétrique différentielle (DSC). Cette étude permet de caractériser les réactions eutectique, péritectique et métatectique, en utilisant une vitesse de chauffe linéaire ou une méthode de Stepscan DSC. Des mesures de diffraction rayons X et de microscopie optique de contrôle de la température ont été appliquées pour compléter la compréhension des diagrammes de phases. L'effet de la pression sur l'équilibre solide-liquide a aussi été mesuré pour les mélanges binaires d’esters éthyliques ou d'alcools gras en utilisant un microscope optique couplé à une cellule à haute pression qui permet d’augmenter la pression jusqu'à 80 MPa sur une large gamme de température. Les modèles thermodynamiques Margules 2 et 3-suffix et NRTL ont été utilisés pour décrire la ligne du liquidus des systèmes présentant un point péritectique, alors qu’un modèle thermodynamique prédictif a permis de modéliser l'ESL en fonction de la pression. Dans les deux cas, on a observé un ajustement satisfaisant par rapport aux données expérimentales. / The study on the physicochemical properties of fatty materials has acquired a growing importance, mainly due to the incentive of their use in energy and nutrition. The efficient production and use of fatty compounds requires a good knowledge of their properties and phase behavior that are necessary for development of processes, especially in production steps such as extraction and refining, but also during storage of the final products. Solid-liquid equilibrium data can be used to improve or propose new separation processes. Also the flash point is an important property that must be considered during storage, transportation and production of flammable compounds, such as biodiesel. This work aimed to study the solid-liquid equilibrium of binary mixtures consisting of fatty alcohols, fatty esters or fatty acids, and to evaluate the flash point of mixtures of ethyl esters, the major constituents of biodiesels, and ethanol, also present in biodiesel in residual levels. Flash points of ethyl esters, and also of the binary mixtures of ethyl esters with ethanol were determined experimentally. An empirical model for predicting the flash point of biodiesels as a function of composition and ethanol content was proposed. The solid-liquid phase diagrams of binary mixtures of fatty alcohol + fatty alcohol or fatty alcohols + fatty acid were determined experimentally by differential scanning calorimetry (DSC), using a linear heating rate, or by a stepscan DSC method, with the aim of investigating the occurrence of the eutectic, peritectic and metatectic reactions. X-ray diffraction and optical microscopy with temperature control techniques were applied to complement the understanding of the phase diagrams. The effect of pressure on the solid-liquid equilibrium was investigated for the binary mixtures of ethyl esters or fatty alcohols using an optical microscope coupled to a high pressure cell which allows the pressure increase up to 80 MPa. Margules 2 and 3-suffix and NRTL thermodynamic models were used for describing the liquidus line of the systems that presented peritectic point, and a predictive thermodynamic model was used to model the ESL function of pressure, which in both cases, gave a satisfactory fit compared to the experimental data.

L'objectif de ce travail est l'étude de la solubilité d'un principe actif hydrophobe modèle, le diazépam, dans un solvant binaire d'intérêt pour la lyophilisation industrielle, le mélange eau + tert-butanol. Un modèle décrivant la dépendance du volume d'excès du solvant vis-à-vis de sa composition et de sa température a été validé à partir de données mesurées au cours de ce travail et de données de la littérature. Les variations de diverses propriétés partielles d'excès issues de ce modèle en fonction de la composition du solvant et de sa température ont été interprétées en termes d'interactions moléculaires et d'arrangements structuraux. Ensuite, la solubilité du diazépam dans le solvant a été mesurée en fonction de sa composition et de sa température. La masse volumique des phases liquides saturées ainsi que les propriétés thermophysiques des cristaux de principe actif originels et des phases solides en excès issues des équilibres solide-liquide ont été déterminées. Les propriétés thermodynamiques caractéristiques du processus de dissolution du diazépam en condition d'équilibre ont été obtenues à partir de la dépendance de sa solubilité vis-à-vis de la température. À partir de ces données, les propriétés thermodynamiques d'excès du diazépam dans les différents mélanges saturés ont été calculées et les forces responsables de la variation de la solubilité du principe actif avec la composition du solvant ont été identifiées. Enfin, la capacité de deux modèles d'enthalpie libre d'excès, le modèle de Scatchard-Hildebrand combiné ou non au modèle de Flory-Huggins, à corréler les données expérimentales de solubilité a été évaluée et comparée / The aim of this work is to investigate the solubility behavior of a hydrophobic model drug, diazepam, in a binary solvent of industrial interest for freeze-drying, the water + tert-butyl alcohol mixture. Firstly, a model describing the dependence of the excess volume of the solvent on both composition and temperature was validated from experimental data obtained during this work and literature data. This model was used to derive expressions for excess partial thermodynamic quantities and their variations with respect to composition and temperature were discussed in terms of molecular interactions and structural arrangements in solution. Secondly, the solubility of diazepam in neat solvents and different binary solvent mixtures was determined. The density of drug-saturated mixtures was also determined as well as the thermophysical properties of original diazepam crystals and excess solid phases from solid-liquid equilibria. The thermodynamic properties relative to the dissolution process of the drug under saturation condition were obtained from solubility temperature dependence using van’t Hoff plots. From these, the excess partial thermodynamic properties of diazepam in saturated mixtures were computed and the forces driving the drug solubility variation with respect to the solvent composition were identified. Finally, two excess Gibbs energy models, the Scatchard-Hildebrand and combined Scatchard-Hildebrand/Flory-Huggins models were tested to represent the solubility data. Their capabilities in correlating the dependence of the drug solubility on both the solvent composition and temperature were evaluated and compared