Cette thèse s’intéresse à l’efficacité d’un enseignement basé sur une approche systémique de l’énergie en cycle 3. Il s’agit d’étudier l’effet de l’usage de systèmes biotiques (relatifs au vivant) dans l’enseignement sur les apprentissages des élèves concernant un modèle de chaîne énergétique. À partir de la théorie de l’activité, un cadre d’analyse de l’efficacité reposant sur l’articulation entre la tâche et les actions et opérations des élèves a été proposé. Un protocole expérimental a été conçu afin de comparer, dans une même classe, un groupe d’élèves travaillant sur des systèmes biotiques et domestiques (groupe biotique) et un autre ne travaillant que sur des systèmes domestiques (groupe domestique). Les données se composent de questionnaires administrés avant et après l’enseignement dans 3 classes de CM1 ainsi que des enregistrements vidéos et du recueil des productions de l’ensemble des élèves d’une classe pendant les séances. Les résultats montrent que les élèves du groupe biotique progressent plus que les élèves du groupe domestique au niveau de la réalisation des chaînes énergétiques et de l’identification des sources d’énergie et des ressources naturelles après l’enseignement. Ils révèlent également que, pendant l’enseignement, les élèves du groupe biotique rencontrent plus de difficultés pour réaliser les chaînes énergétiques et évoquent plus les interactions entre les éléments du système. Enfin le couplage des analyses précédentes indique que les élèves qui ont réalisé des chaînes complètes et ceux qui ont évoqué les interactions entre les éléments du système pendant la dernière séance progressent plus sur les chaînes énergétiques après l’enseignement. / This study concerns the effectiveness of a teaching based on a systemic approach of energy in primary school. The aim is to observe the effect of biotic systems (relating to living being) used in the teaching on student learning about an energy chain model. According to the theory of activity, we proposed a framework to analyse the effectiveness based on the link between the task and the actions and operations of the students. An experimental protocol was designed to compare, in the same class, a group of students working on biotic and domestic systems (biotic group) and another working only on domestic systems (domestic group). The data include questionnaires given before and after teaching in 3 classroom of grade 4 and video recordings associated with the productions of all the students of one class during the teaching. The results show that students from the biotic group progress more after the teaching than students from the domestic group in terms of achieving energy chains and identifying sources of energy and natural resources. They also reveal that, during teaching, students from the biotic group had more difficulties to achieve energy chains and spoke more about the interactions between the elements of the system. Finally, the coupling of the previous analyzes indicates that the students who realized complete chains and those who evoked the interactions between the elements of the system during the last course progress more on the energy chains after the teaching.

L'utilisation massive des énergies fossiles est en grande partie responsable des émissions de gaz à effet de serre. De plus, la croissance de la demande énergétique et la raréfaction des ressources fossiles conduisent à l'accroissement du coût de l'énergie. La réponse à cette problématique passe par deux moyens d'action indissociables : la réduction des consommations énergétiques et le recours aux énergies renouvelables. La fenêtre pariétodynamique permet d’agir sur les deux postes principaux de déperdition thermique d’un bâtiment que sont les baies et la ventilation. Le principe de la fenêtre pariétodynamique étudiée est de faire circuler de l’air en convection forcée entre trois verres avant d’être restitué à l’ambiance intérieure du bâtiment. Cela permet à l’air de récupérer à la fois une partie des déperditions thermiques à travers la fenêtre et une partie de l’énergie solaire absorbée par les verres. Afin d’étudier le comportement thermo-aéraulique et les performances de la fenêtre, nous avons développé un modèle numérique de cette dernière. Un dispositif expérimental a été mis en place et utilisé afin de valider le modèle numérique et de comparer en conditions réelles les performances de la fenêtre étudiée à celles d’une fenêtre à double vitrage classique. Ces résultats expérimentaux ont été complétés par une étude paramétrique numérique réalisée pour différentes conditions climatiques et de fonctionnement. Les principaux enseignements issus de ces études expérimentales et numériques sont que le préchauffage de l’air se fait essentiellement dans la lame d’air intérieure, la température de la première lame d’air restant proche de celle de l’air extérieur. De plus, et contrairement aux températures de la face intérieure et de l’air soufflé, celle de la face externe de la fenêtre est peu impactée par les paramètres étudiés. Concernant le cadre de la fenêtre, nous avons observé que celui-ci bénéficie aussi des échanges thermiques avec l’air circulant, mais dans une moindre mesure. Cela contribue à rendre la fenêtre peu déperditive. Enfin, en couplant le modèle développé à un logiciel de simulation thermique dynamique, nous avons évalué le potentiel d’intégration de fenêtres pariétodynamiques dans une maison individuelle. Nous mettons ainsi en évidence que le besoin de chauffage est réduit d'environ 20 à 30 % par l’utilisation de fenêtres pariétodynamiques à la place de fenêtres à double vitrage classique. En été, si l’ambiance intérieure du bâtiment est plus fraîche que l’environnement extérieur, la fenêtre pré-rafraîchit l’air neuf entrant. / The massive use of fossil energies is largely responsible for greenhouse gas emissions. Moreover, the growth in energy demand and the depletion of fossil resources lead to an increase in energy costs. The response to this challenge requires two means of action which are linked : the reduction of energy consumption and the use of renewable energy. The airflow window acts on the two main ways of building heat losses that are windows and the ventilation. The principle of the studied airflow window is based on the circulation of fresh air, by forced convection, between the three glasses of the window before entering the building. This allows air to recover both a part of heat losses through the window and part of the solar energy absorbed by the glasses. To study the thermo-aeraulic behavior and thermal performances of the window, we have developed a numerical model of the studied airflow window. An experimental set up was used to validate the numerical model and compare, in real conditions, the studied window performances to the ones of a conventional double-glazed window. These experimental results were complemented by a numerical parametric study for different climatic and operating conditions.The main information from these experimental and numerical studies are that the preheating of the air takes place essentially in the inner air gap, temperature in the first air layer remaining close to the outdoor one. In addition, unlike the temperatures of the inside face and of the blown air, the outer face temperature of the window is not greatly affected by the studied parameters. On the window frame, we found that it also benefits of heat exchanges with the circulating air, but to a lesser extent. This makes the window energy efficient. Finally, by coupling the developed model to a thermal building simulation software, we evaluated the airflow windows integration potential in a house. We thus demonstrated that the heat load is reduced by about 20 to 30% by the use of airflow windows instead of conventional double-glazed windows. Moreover, in summer, when indoor is cooler than outdoor, we pointed out that the airflow window cools the incoming fresh air.

Ce travail de thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration des modèles à zones, utilisés dans l’ingénierie de la sécurité incendie pour simuler la propagation des fumées dans un bâtiment en situation d’incendie. Il a pour ambition d’améliorer la compréhension des écoulements des fumées dans un bâtiment. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est essentiellement consacrée à l’état de l’art et à une évaluation de la capacité du code CFAST, code à zones largement utilisé dans l’ingénierie de la sécurité incendie, à simuler les écoulements de fumées dans un bâtiment. Le code à zones CFAST est confronté aux résultats d’une campagne expérimentale à échelle réelle réalisée dans un bâtiment d’habitation de type R+3. La seconde partie du manuscrit, plus académique, consiste à étudier les écoulements de fumée dans un bâtiment. Dans un premier temps, deux phénomènes sont étudiés : le phénomène de remplissage d’un local par des fumées d’incendie, et le phénomène de remplissage / vidange simultanés d’un local ventilé naturellement. Des modèles à zones permettant de décrire ces phénomènes sont présentés. Deux campagnes expérimentales ont été menées à échelle réduite sur des maquettes thermiques de locaux, afin d’étudier les deux phénomènes et d’évaluer et améliorer les modèles à zones. De plus, des simulations numériques complémentaires avec le code à champs FDS (Fire Dynamics Simulator) sont réalisées pour étendre le domaine d’étude du phénomène de remplissage. Enfin, des améliorations du modèle à zones sont proposées. Après l’étude des phénomènes liés aux écoulements de fumée dans un local unique, les écoulements de fumées dans une configuration multi-compartiments, constituée de deux locaux reliés par une cage d’escalier, sont étudiés expérimentalement à l’échelle du laboratoire / This work is devoted to the evaluation and improvement of zone models, used in fire safety engineering to simulate the smoke propagation in a building in a fire situation. It aims at improving the understanding of the smoke flow in a building. The PhD work is divided into two parts. The first part is essentially devoted to a bibliographical survey and an evaluation of the ability of a zone code CFAST, widely used in fire safety engineering, to simulate smoke flows in a building. Numerical results with CFAST are compared with the data of a real-scale experimental campaign carried out on a three-storey residential building. The second part, more academic, consists of studying the smoke flows in a building. Two phenomena are first studied, namely the smoke filling of a room, and the simultaneous filling and emptying of a naturally ventilated room. Zone models describing these phenomena are presented. Two experimental campaigns are conducted on reduced scale room models, in order to study the two phenomena and to evaluate and improve the zone models. Furthermore, numerical simulations with the CFD code FDS (Fire Dynamics Simulator) are performed to extend the study field of the smoke filling. Finally, improvements to the zone model are proposed. After studying the phenomena related to smoke flows in a single room, the smoke flows in a multi-compartment configuration, consisting of two rooms connected by a stairwell, are experimentally studied at the laboratory scale

Une grande quantité d’énergie est rejetée par l’industrie à bas niveau de température, en dessous de 200 °C. Afin d’améliorer le rendement énergétique global des procédés utilisés, il est envisageable de valoriser cette chaleur perdue appelée chaleur fatale. Cependant cette valorisation est souvent rendue difficile par la présence d’un décalage temporel entre le moment où l’énergie est rejetée et le moment auquel cette énergie pourrait être de nouveau utilisée. Associant de fortes capacités de stockage ainsi qu’une possible restitution d’énergie à température constante, la solution du stockage de l’énergie thermique par des Matériaux à Changement de Phase, appelés MCP, apparaît comme particulièrement attractive. Cependant, la mise en œuvre de ces systèmes de stockage se heurte à des verrous scientifiques et technologiques tant au niveau du matériau de stockage que du système mais également de son contrôle commande et de son insertion dans les procédés industriels.L’objectif de la thèse est de mettre au point un système de stockage par MCP solide-liquide dans deux gammes de température : 70-85 °C et 120-155 °C. La première correspond aux températures des réseaux de chaleurs ou des chauffages domestiques alors que la deuxième s’applique au préchauffage des procédés industriels déjà existants. La thèse vise à démontrer la faisabilité technique du système de stockage. Le travail s’articule autour de différentes tâches allant de la sélection et la caractérisation des MCP jusqu’à leur mise en œuvre dans un organe de stockage et la simulation numérique de la solution de stockage.Les MCP recensés dans la bibliographie à ces niveaux de températures ont été caractérisés finement par calorimétrie (DSC) afin de déterminer leurs propriétés thermo-physiques sur des échantillons de grade laboratoire. L’acide stéarique pour la gamme 70-85 °C et l’acide sébacique pour la gamme 120-155 °C ont été sélectionnés. Des analyses calorimétriques plus poussées sur le grade industriel de ces matériaux ont été réalisées avec notamment des analyses de vieillissement et de compatibilité avec leur encapsulation respective au sein d’un banc expérimental. Le prototype expérimental de stockage thermique a été dimensionné et conçu pour répondre aux sollicitations simulant les rejets et les demandes d’un procédé industriel. Ce banc d’essais est composé principalement de deux organes de stockage que sont une cuve cylindrique et un échangeur multitubulaire et d’un thermorégulateur servant à simuler le fonctionnement du procédé industriel. Dans l’échangeur multitubulaire, le MCP occupe toute le volume de la calandre tandis que le fluide caloporteur circule dans les tubes. La cuve, quant à elle, contient des capsules sphériques en polyoléfines dans lesquelles le MCP est confiné. Elle est traversée par le fluide caloporteur procédant aux échanges thermiques. Ces capsules sphériques appelées nodules ne peuvent supporter plus de 100 °C et sont exclusivement réservées pour la gamme basse température. Ainsi, l’acide stéarique a été confiné dans les nodules afin de remplir la cuve de stockage. L’acide sébacique a lui été intégré dans la calandre de l’échangeur multitubulaire. Les campagnes expérimentales réalisées ont montré la faisabilité de ces types de stockage. Enfin, un modèle numérique simulant les performances du module de stockage utilisant les MCP encapsulés a été réalisé. Il constitue la première étape d’un outil de simulation complet intégrant les briques technologiques du stockage latent. / A large amount of energy is rejected by the industry at low temperature level, below a temperature of 200 °C. In order to improve the overall energy efficiency of industrial processes, it is possible to re-use this waste heat. However, this energy recovery is often made difficult because of the time difference between the process step at which the energy is lost and the process step at which this energy could be reused. Combining high energy storage capabilities and a possible energy recovery at constant temperature, thermal storage solution by phase change materials (PCM) is particularly attractive. However, this storage systems implementation faces scientific and technologic obstacles concerning both the storage material and system but also its command system and its integration into industrial processes.This thesis aims to develop a thermal energy storage system using a solid-liquid PCM technology in two temperature ranges: 70-85 °C and 120-155 °C. The first one corresponds to temperatures of heating networks or domestic heating systems, while the second one could directly preheat existing industrial processes. The thesis aims to demonstrate the technical feasibility of the storage system. The purpose is divided into different tasks such as PCMs selection and characterization, PCM implementation in a storage system but also numerical simulation of the storage solution.PCM documented in the literature at those temperature ranges were characterized by Differential Scanning Calorimetry (DSC) in order to determine thermo physical properties on laboratory grade samples. Stearic acid for the 70-85 °C temperature range and sebacic acid for the 120-155 °C temperature range were selected. Deeper differential scanning calorimetry analyses were carried out on those industrial grade materials including material ageing process analyses and their compliance with their respective encapsulation within an experimental test bench.Thermal storage experimental prototype was designed in order to meet the demands simulating the rejects and needs of industrial processes. The test bench is mainly composed of two storage systems : a cylindrical tank, a multitubular exchanger and a thermoregulator used to simulate industrial process functioning. The PCM, while in the multitubular exchanger, fills up the whole volume of the shell whereas the heat transfer fluid flows in tubes. The tank, for its part, contains polyolefin spherical capsules in which the PCM is contained. The tank is crossed by the heat transfer fluid conducting heat exchanges. Those spherical capsules called nodules cannot be exposed to temperatures exceeding 100 °C and are exclusively reserved for the low temperatures range. Thus, stearic acid was confined in nodules so as to fill the storage tank. The sebacic acid was incorporated in the multitubular exchanger shell. Experimental campaigns carried out have demonstrated the feasibility of those storage types.

A partir dune approche du type modélisation physique, on sintéresse à la quantification des interactions, appelées couramment « effets de groupe », qui peuvent se développer entre les micropieux rapprochés sous sollicitations monotones et cycliques verticales.<br />Dans le cas monotone, leffet de groupe est étudié à partir du comportement dune inclusion générique au sein dun groupe en interaction avec des inclusions adjacentes. Les résultats montrent un effet de groupe positif sur le frottement latéral et négatif sur la résistance en pointe. Dans le cas des chargements cycliques, deux cas sont considérés à savoir les chargements à force contrôlée destinés à établir des diagrammes de stabilité cyclique et les chargements à déplacement contrôlé pour les mécanismes de dégradation. Pour les premiers, laugmentation du nombre dinclusions montre un effet positif et pour les seconds, les résultats montrent un effet de groupe positif sur le frottement latéral et négatif sur la pointe.

Le doublage de frequence optique est un phenomene optique non lineaire impossible dans le volume des materiaux amorphes ou centrosymetriques, mais pouvant exister aux interfaces entre deux materiaux quelconques. De plus, des contributions supplementaires apparaissent en presence d'une aimantation dans l'un des materiaux. Nous avons utilise ce phenomene pour etudier selectivement la structure et le magnetisme d'interfaces enterrees entre couches metalliques ultraminces (quelques plans atomiques). Pour cela, un systeme sensible a des puissances aussi faibles que 10 1 8 w a ete developpe. Sur un systeme simple, une surface d'or, une correlation claire a ete observee entre doublage de frequence et rugosite mesuree par microscopie a force atomique. Dans le systeme au/co/au, l'identite des proprietes magnetiques en volume et a la surface du cobalt est prevue theoriquement. C'est ce qu'ont confirme des mesures effectuees par effet kerr magneto-optique (en volume) et par doublage de frequence (aux interfaces). L'utilisation de plasmons de surface, augmentant considerablement le champ electrique en surface, peut egalement induire dans ce systeme d'importantes exaltations du doublage de frequence, qui ont ete modelisees. En revanche, dans le systeme pt/co/pt, la presence d'alliages aux interfaces nous a permis de mettre en evidence des differences entre le magnetisme a la surface et dans le volume du cobalt. Parallelement, un systeme d'imagerie de domaines magnetiques aux interfaces par doublage de frequence a ete developpe, permettant une resolution laterale de l'ordre du micrometre. Enfin, nous avons mis en evidence des proprietes magnetiques differentes aux deux interfaces d'une meme couche de fesi, dans un systeme sio 2/fesi/dyfeco proche de ceux utilises pour l'enregistrement magneto-optique.

Ce travail comporte deux parties indépendantes: la première concerne les suspensions de particules anisotropes en écoulement élongationnel, la seconde porte sur l'étude en lois d'échelle des couches limites en convection thermosolutale. L'écoulement de suspensions de particules anisotropes présente en déformation élongationnelle des propriétés spécifiques liées à la géométrie des particules. Après la mise en oeuvre d'une cellule d'écoulement à orifice relisant une sollicitation élongationnelle bien définie, des suspensions de fibres non-browniennes sont étudiées dans deux régimes de concentration. En régime dilué, les résultats expérimentaux concernant la dynamique d'orientation d'une fibre sont bien décrits par les équations d'orientations du vecteur directeur obtenues analytiquement. En régime semi-dilué, l'écoulement présente une structuration remarquable, qui est étudiée en fonction de la fraction volumique et du rapport de forme des particules. Un modèle d'écoulement obtenu en minimisant l'énergie dissipée permet d'interpréter les résultats expérimentaux en termes de viscosité élongationnelle, et en relation avec les propriétés de la suspension à l'échelle des particules. Les écoulements de couche limite au voisinage d'une paroi verticale dans un milieu fluide soumis a des gradients de température et de concentration horizontaux présentent une grande variété de situations suivant la valeur des paramètres adimensionnels du problème. Une analyse combinant raisonnements en loi d'échelle et méthode intégrale permet de prédire complètement les différents régimes d'écoulement et les variations des couches limites. Les résultats sont corroborés par des solutions de similitude obtenues numériquement.

Cette thèse s'inscrit comme une étape vers la maîtrise de la résistance au choc des structures en béton, en développant la connaissance du comportement dynamique du matériau pour mieux calculer les ouvrages vis-à-vis des chargements accidentels. Une première partie récapitule les mécanismes physiques mis en évidence grâce aux essais de traction directe à des vitesses échelonnées du régime quasi-statique au domaine atteint lors des chocs durs (technique des barres d'Hopkinson), et propose plusieurs expressions de l'évolution de la résistance avec la vitesse, en fonction des paramètres caractéristiques du matériau. On a pu en déduire une optimisation du béton par rapport aux sollicitations dynamiques rapides. Une deuxième partie décrit l'essai de dalles au tube à choc, mis au point pour valider sur une structure modèle les résultats obtenus à l'échelle du matériau. Les données recueillies sur 24 dalles constituées de différents bétons, armés ou non, sont présentées en détails. Leur analyse permet de tester plusieurs méthodes de calcul approchées, et de définir un cahier des charges incontournable pour des modèles de calcul en dynamique plus sophistiqués, qui restent à développer.

Travail sur un point important de la construction des ponts : le comportement des bossages d'ancrage de câbles de précontrainte. Le travail théorique prend comme point de départ une recherche très poussée du LCPC du point de vue du calcul élastique, qui comportait une étude expérimentale d'un ancrage par bossage centré dans une plaque appuyée sur la tranche à un about. La thèse se limite à la sollicitation du hourdis par suite de l'application d'une force de précontrainte au moyen d'un bossage (ou de plusieurs). Utilisation de la méthode des coupures modifiée pour une analyse élastique et mise au point d'un programme aux éléments finis non linéaires pour l'analyse non linéaire du comportement à la rupture. Étude expérimentale du groupement des bossages.

Ce travail est consacré à l'étude de la rhéologie des bétons fluides. On relate le développement d'un rhéomètre à béton prototype de conception nouvelle, BT RHEOM. Le principe et la mise au point de l'appareil, ainsi que les différentes conduites des essais rhéologiques, sont décrits. Des études visant à estimer l'objectivité des mesures sont présentées. On envisage ensuite quelques études expérimentales avec le BT RHEOM. Les comportements des bétons frais, sans et avec vibration, sont étudiés. Dans la plage de gradient de vitesse étudiée, ils respectent en général le modèle de Bingham, sous réserve que la consistance des bétons satisfasse certaines conditions, et que l'homogénéité des bétons soit acceptable. Les phénomènes de thixotropie et de dilatance des bétons sont ensuite discutés. On s'intéresse également à l'influence des paramètres de composition du béton sur le comportement rhéologique de ce dernier. On établit ainsi un modèle ayant pour objet l'estimation de la viscosité plastique des bétons à hautes performances, fournissant une aide à la formulation du béton. Enfin, avec les caractéristiques intrinsèques d'un béton mesurées au BT RHEOM, on tente de modéliser un problème de chantier : le pompage du béton. On montre également une autre application de ce rhéomètre : la mise au point des formulations de BHP.