La présente étude porte sur l'optimisation d'un générateur thermoélectrique inclus dans un échangeur de chaleur à écoulements croisés. Un générateur thermoélectrique est un appareil constitué de semi-conducteurs qui génère de l'électricité lorsqu'il est traversé par un flux de chaleur, de là son implementation dans un échangeur de chaleur. L'objectif principal sera d'utiliser un outil d'optimisation, en l'occurrence un algorithme génétique, afin de déterminer les designs optimaux qui satisferont un ensemble de critères. Préalablement aux optimisations, un modèle complet a d'abord dû être créé avec l'aide du logiciel Matlab. Il s'agit de modéliser numériquement l'échangeur de chaleur ainsi que le générateur thermoélectrique qui en est partie intégrante. La modélisation considère plusieurs facteurs dont le nombre d'étages de l'échangeur, le courant traversant les modules thermoélectriques, le nombre de modules thermoélectriques et la géométrie de l'échangeur. Le code est ensuite validé numériquement avec des exemples théoriques ou des résultats issus de la littérature. Une fois la modélisation effectuée, il faut définir les objectifs à minimiser ou maximiser. Il sera utile de maximiser la puissance électrique produite par le système, minimiser le volume de l'échangeur, minimiser la puissance de pompage requise, minimiser le nombre de modules thermoélectriques requis ainsi que maximiser les profits générés par le système sur une période de temps donnée. Initialement, nous ne considérerons que la maximisation de la puissance électrique fournie par le système selon différentes contraintes physiques (différence de température ou débit capacitif fixés). Nous optimiserons aussi les connections électriques dans le système pour constater si les designs suggérés par l'algorithme d'optimisation sont réalisables. Suite à cela, nous étudierons des cas multi-objectifs. Plusieurs objectifs seront considérés simultanément durant l'optimisation et nous analyserons les fronts de Pareto (ensemble des solutions possibles) selon les différents objectifs qui auront été considérés. Finalement, une optimisation thermoéconomique sera réalisée sur le système afin de valider si ce dernier est rentable ou sinon les correctifs qu'il faudrait y apporter pour rendre le tout profitable.

La gestion de sols ou sédiments contaminés par des métaux nécessite de pouvoir prédire la migration de ces métaux, dont la mobilité dépend des propriétés de transport du milieu ainsi que de la réactivité chimique de celui-ci (principalement réactions adsorption/désorption). Pour étudier l'adsorption des cations métalliques (majeurs et traces) en condition dynamique, des expériences de transport en colonne ont été réalisées avec un sol pauvre en minéraux carbonatés et en matière organique. Considérant que la réactivité de ce sol était due essentiellement à la phase argileuse smectitique, un modèle d'adsorption basé sur les propriétés de rétention de la montmorillonite du Wyoming, utilisant la théorie des échangeurs d'ions multi-sites a été intégré à un code de transport 1D. Les prédictions calculées par ce modèle ont ensuite été comparées aux courbes de percées mesurées dans cette étude et reportées de la littérature. L'étude sur le transport réactif des cations majeurs a mis en évidence le rôle significatif des protons (et ce même à des pH proche de la neutralité), et a permis de valider le modèle pour le transport compétitif des cations majeurs (Na et Ca). Cependant, l'étude de la rétention de Zn(II) a mis en évidence une incohérence entre les résultats issus des expériences batch et ceux obtenus avec les expériences colonne, que l'on pourrait attribuer à la contribution d'une autre phase adsorbante (illite). Néanmoins, le modèle d'adsorption proposé a permis de reproduire avec une bonne satisfaction des données expérimentales de rétention de Zn(II) proposées dans la littérature et obtenues avec des expériences colonne.

Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs largement utilisés dans divers systèmes énergétiques. Les présents travaux de recherche s’intéressent à la conception des échangeurs bi-fluides monophasiques par des méthodes d’optimisation topologique. A la différence des méthodes conventionnelles d’optimisation de taille et de forme, ces méthodes permettent une liberté de conception plus grande et ne nécessitent aucune définition a priori de la géométrie de l’échangeur. L’optimisation topologique bi-fluide consiste donc à réorganiser librement deux fluides et un solide dans un domaine d’optimisation. Les deux fluides doivent connecter les zones d’entrée aux zones de sortie en évitant tout mélange entre fluides. Dans le cadre de cette thèse, la méthode SIMP « Solid Isotropic Material with Penalization » a été utilisée. Divers algorithmes constituant cette méthode ont été formulés et testés : la méthode des volumes finis a été choisie pour la résolution du problème direct, la méthode des adjoints discrets pour le calcul du gradient de la fonction objectif et enfin la méthode des asymptotes mobiles pour guider l’optimisation numérique. Les résultats des simulations ont permis de définir différentes formes d’échangeurs de chaleur en 2D. On a fait varier le nombre d’entrées et de sorties ainsi que les débits de chaque fluide. Les travaux montrent la capacité de cette méthode à concevoir des formes innovantes d’échangeur de chaleur. La thèse établit ainsi les bases d’une nouvelle méthode de conception des échangeurs de chaleur. / Heat exchangers are devices widely used in various energy systems. The present research work focuses on the design of single-phase bi-fluid heat exchangers by using topology optimization methods. Unlike conventional size and shape optimization methods, topology optimization methods allow greater design freedom and do not require prior definition of the exchanger geometry. Hence, bi-fluid topology optimization consists of freely reorganizing two fluids and one solid in the optimization domain. Both fluids should connect inlet sections to outlet sections while avoiding any fluid mixture inside the domain. SIMP method “Solid Isotropic Material with Penalization” is used within the framework of this thesis. This method includes various algorithms that were formulated and tested : finite volume method was selected for solving the direct physical problem, discrete adjoint method was used for the calculation of the gradient of the objective function, and the method of moving asymptotes was adopted to guide the numerical optimization. Simulation results have allowed the definition of various heat exchanger shapes in 2D. The number of inlet and outlet as well as the flow rates of each fluid have been varied. The works have shown the ability of this method to design innovative shapes of heat exchangers. Hence, the thesis establishes the basis of a new design methodology of heat exchangers.

Les échangeurs thermiques aéronautiques sont soumis à un environnement complexe combinant pression, température et vibrations. L'objectif de cette thèse est l'analyse du comportement statique et dynamique du faisceau d'un tel échangeur. Ce faisceau est une structure complexe périodique 3D composée d'un empilement alterné d'intercalaires où passe l'air chaud et froid respectivement. Différentes approches analytiques et numériques basées sur l'étude d'une cellule élémentaire de la structure sont employées pour modéliser le comportement statique global du faisceau à chaud et à froid. Les résultats statiques sont validés par essais expérimentaux sur différents types d'éprouvettes. À l'issue de cette partie, deux modèles sont proposés pour remplacer la structure réelle du faisceau : un modèle «homogène» et un modèle «stratifié». L'étude dynamique, expérimentale et numérique, montre que ces deux modèles sont capables de prédire de manière satisfaisante le comportement dynamique du faisceau.

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L'étude concerne l'analyse de l'encrassement dans un canal plan représentatif d'un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L'objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l'utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l'encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d'encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L'étude de la cinétique de l'encrassement permet de déterminer la loi de variation de l'épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L'apport du milieu poreux sur les performances de l'échangeur est analysé

L'objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l'intégrité et la durée de vie d'échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l'échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l'échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l'échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l'aide d'un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l'échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l'échangeur est évaluée à partir d'une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l'évaluation du nombre de cycles à rupture.

Les cellules cancéreuses mammaires invasives expriment des canaux sodiques NaV1.5 dont l’activité semble être associée au développement métastatique. L’activité de ce canal dans les cellules MDA-MB-231 conduit à une acidification péricellulaire favorable à l’activité des cathepsines à cystéine B et S extracellulaires et à la dégradation de la matrice extracellulaire. Au cours de cette thèse, nous avons montré que l’échangeur NHE1 est le principal régulateur du pH des cellules MDA-MB-231 et que l’activité du canal NaV1.5 augmente l’activité d’efflux de protons par NHE1 vraisemblablement par modulation allostérique. NaV1.5 et NHE1 sont co-localisés dans des radeaux lipidiques et plus particulièrement dans les invadopodes des cellules MDA-MB-231. Les activités de NHE1 et NaV1.5 stimulent l’activité protéolytique des invadopodes. Enfin, l’activité du canal NaV1.5 semble moduler le cytosquelette et la morphologie des cellules cancéreuses MDA-MB-231 pour leur donner un phénotype invasif. En conclusion, NaV1.5 augmente l’activité de NHE1 dans les invadopodes stimulant ainsi l’invasivité des cellules cancéreuses mammaires. / Invasive breast cancer cells express NaV1.5 sodium channels which activity seems to be associated with metastatic progression. The activity of the channel in MDA-MB-231 cells leads to a pericellular acidification favourable for the activity of extracellular cysteine cathepsins B and S and for extracellular matrix degradation. During this thesis, we have shown that NHE1 exchanger is the main pH regulator in MDA-MB-231 cells and that the activity of NaV1.5 channels increases protons efflux activity of NHE1 possibly through allosteric modulation. NaV1.5 and NHE1 are co-localised in lipid rafts and in invadopodia of MDA-MB-231 cells. The activity of NHE1 and NaV1.5 promotes the proteolytic activity of invadopodia. Finally, the activity of NaV1.5 channels seems to modulate cytoskeleton and morphology of MDA-MB-231 cancer cells to promote the acquisition of a proinvasive phenotype. In conclusion NaV1.5 increases NHE1 activity in invadopodia to stimulate breast cancer cells invasiveness.

L’amélioration de la récupération d’énergie dans les procédés industriels passe par une meilleure compréhension des phénomènes d’encrassement dans les échangeurs de chaleur. L’encrassement se caractérise par la formation de dépôts non désirés sur les surfaces d’échange de l’échangeur. Cette étude porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l’encrassement dans les échangeurs de chaleur du train de préchauffe.Pour cela, une boucle d’essai reproduisant les niveaux d’échange et les écoulements rencontrés en raffinerie a été employée pour tester un échangeur de type tubes et calandre. Les fluides traités sont du pétrole brut et de résidu de distillation atmosphérique (coupe lourde du pétrole) comme dans le procédé industriel. On s’intéresse à l’influence de la géométrie de l’échangeur. Des faisceaux de tubes avec des corrugations internes hélicoïdales et des ailettes externes sont successivement testés. Pour chacune des technologies, les paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d’un dépôt encrassant sont identifiés sur une gamme de température de film et de cisaillement s’échelonnant respectivement de 230 à 300°C et de 1,3 à 8,8 N/m2. L’efficacité des tubes optimisés pour lutter contre l’encrassement est évaluée par comparaison avec l’encrassement obtenu sur le faisceau de tubes lisses pris comme référence. Les deux technologies se sont révélées efficaces pour réduire l’encrassement. Par rapport aux tubes lisses, l’encrassement a été réduit d’un ordre de grandeur à cisaillement et température de film équivalentes aussi bien avec les tubes structurés qu’ailetés.En parallèle, une simulation d’encrassement numérique (CFD) a été élaborée pour mieux comprendre le développement de l’encrassement dans l’échangeur équipé de tubes lisses. Les phénomènes dominants à l’origine de l’encrassement de l’échangeur ont été déterminés : la vitesse de formation du dépôt, peu affectée par les variations spatiales de la thermo-hydraulique, pilote l’encrassement. Les hétérogénéités d’encrassement sont causées par les disparités locales de la vitesse d’arrachement du dépôt qui varie en grande proportion mais dont l’influence sur la vitesse d’encrassement est faible. Elles sont dues à une inhomogénéité spatiale du cisaillement qui est la conséquence de l’établissement de l’écoulement dans les tubes. Une tentative d’amélioration de la précision de la prédiction de l’encrassement a été également entreprise en optimisant les paramètres d’un modèle d’encrassement existants et en tenant compte du vieillissement du dépôt. / Improving energy recovery in industrial processes requires a better understanding of fouling phenomena in heat exchangers. Fouling is the grow up of unwanted materials on heat transfer surfaces. This study focuses on improving the energy efficiency of petroleum refineries by reducing fouling in heat exchangers of the pre-heat train.For this purpose, a test rig reproducing thermal and flow characteristics encountered in the last heat exchanger of the pre-heat train was used to test a pilot-scale shell-and-tube heat exchanger. Fluids are the same as the ones processed in refineries: crude oil and atmospheric tower bottom, a heavy residue of oil. This study focuses on the influence of the heat exchanger geometry. Internally helically-finned tubes and externally low-finned tube bundles are successively tested. For each one, optimum operating parameters which reduce fouling are identified over a 230-300°C film temperature range and a 1.3-8.8 N/m2 wall shear stress range. The fouling mitigation efficiency of the enhanced tubes is compared with smooth tubes taken as a reference. Compared to smooth tubes, fouling on helically-finned and low-finned tubes is reduced by an order of magnitude when they are operated at equivalent wall shear stress and film temperature.In addition, a numerical (CFD) fouling simulation has been developed to provide a better understanding of the fouling in the heat exchanger with smooth tubes. Dominant phenomena driving fouling in the heat exchanger were determined. The deposition rate is weakly impacted by the spatial variations of the thermo-hydraulic and controls the overall fouling rate. Heterogeneities in fouling rate are caused by the local scattering in the removal rate, which varies in a broad range but whose impact on the overall fouling rate is low. The broad range of the shear stress is the consequence of the fluid flow entrance effects. An attempt to improve accuracy of the fouling model has been undertaken by optimizing the model parameters and by considering aging of the deposit.

Le but de cette étude est d’étudier l’utilisation d’interactions fluide-structure (FSI) pour améliorer le transfert de chaleur et les performances de mélange dans des échangeurs-réacteurs multifonctionnels, et d’évaluer des configurations pour lesquelles l’objectif est de produire et de maintenir un régime dynamique auto-entretenu d’oscillations des générateurs de tourbillons flexibles. Dans un premier temps, deux études numériques ont été réalisées pour des écoulements laminaires bidimensionnels. Les résultats montrent qu’un minimum de trois générateurs de tourbillons alternés est nécessaire pour produire une instabilité qui engendre les oscillations de larges amplitudes. L’ajout de deux promoteurs coplanaires en amont déstabilise l’écoulement en créant des forces périodiques agissant sur les générateurs de tourbillons en aval. Il en résulte une augmentation de la vitesse réduite qui impose un blocage en fréquence des oscillations des générateurs de tourbillons en aval. Dans cette configuration, des oscillations de larges amplitudes sont obtenues pour uniquement deux générateurs de tourbillons en aval. Les oscillations des générateurs de tourbillons produisent une vorticité intense qui a une incidence positive que le transfert de chaleur et sur le mélange. Dans un second temps, une configuration tridimensionnelle HEV incluant des générateurs de tourbillons trapézoïdaux flexibles orientés a 45◦ vers l’amont est étudiée par simulations numériques. Une analyse FFT réalisée sur les coefficients issus d’une analyse POD montre un pic fréquentiel correspondant aux formations et lâchers tourbillonnaires périodiques. Cette fréquence dominante correspond bien au mode propre d’oscillation des générateurs de tourbillons et engendre ainsi de larges amplitudes d’oscillations. / The aim of this study is to investigate the use of fluid-structure interaction (FSI) to improve heat transfer and mixing performances in multi-functional heat exchangers/reactors, and to evaluate configuration designs where the main target is to produce and maintain self-sustained oscillations of flexible vortex generators. At first, two dimensional laminar flow studies are numerically investigated. The results show that a minimum of three alternating flaps is needed to produce an instability that leads to large displacement oscillations. However, the introduction of two co-planar flaps upstream destabilizes the flow by creating periodic forces that act on the alternating downstream flaps. Hence, this results in artificially increasing the reduced velocity that will induce the alternating flaps to be in a lock-in state. Thus in this case, large displacement amplitudes are created with two alternating flaps only. The free flaps oscillations produce vortices of higher strength which have a positive impact on heat transfer and mixing. Secondly, a three dimensional HEV configuration with flexible trapezoidal vortex generators inclined with an angle of 45◦ with respect to the wall and reversed opposite to the flow direction is numerically investigated. Fast Fourier Transformation is applied on the temporal variation of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) coefficientswhich displays a dominant peak in the flow and corresponds to the vortices periodic formation and detachment. This dominant frequency synchronizes well with the structural oscillation frequency and the fundamental frequency of the tabs reaching a lock-in state and leading to large oscillation amplitudes.

La gestion de sols ou sédiments contaminés par des métaux nécessite de pouvoir prédire la migration de ces métaux, dont la mobilité dépend des propriétés de transport du milieu ainsi que de la réactivité chimique de celui-ci (principalement réactions sorption/désorption). Pour étudier l'adsorption des cations métalliques (majeurs et traces) en condition dynamique, des expériences de transport en colonne ont été réalisées avec un sol pauvre en minéraux carbonatés et en matière organique. Considérant que la réactivité de ce sol était due essentiellement à la phase argileuse smectitique, un modèle d'adsorption basé sur les propriétés de rétention de la montmorillonite du Wyoming, utilisant la théorie des échangeurs d'ions multi-sites a été intégré à un code de transport 1D. Les prédictions calculées par ce modèle ont ensuite été comparées aux courbes de percées mesurées dans cette étude et reportées de la littérature. L'étude sur le transport réactif des cations majeurs a mis en évidence le rôle significatif des protons (et ce même à des pH proche de la neutralité), et a permis de valider le modèle pour le transport compétitif des cations majeurs (Na et Ca). Cependant, l'étude de la rétention de Zn(II) a mis en évidence une incohérence entre les résultats issus des expériences batch et ceux obtenus avec les expériences colonne, que l'on pourrait attribuer à la contribution d'une autre phase adsorbante (illite). Néanmoins, le modèle d'adsorption proposé a permis de reproduire avec une bonne satisfaction des données expérimentales de rétention de Zn(II) proposées dans la littérature et obtenues avec des expériences colonne. / Management of soils or sediments contaminated by metals requires to predict the migration of metallic cations, whose mobility depends both on the transport properties of the medium and chemical reactivity of the system (principally sorption/desorption reactions). To study the sorption of metallic cations (major and trace) in dynamic condition, transport experiments using columns have been carried out with a soil poor in carbonated minerals and organic matter. Considering that the reactivity of this soil was mainly due to swelling clay minerals, a sorption model based on the sorption properties of the Wyoming montmorillonite and built according to a multi-site ion exchanger theory has been integrated into a 1D transport code. The predictions given by this model were then compared with the breakthrough curves measured in this study and those reported in the literature. The study of the reactive transport of major cations highlighted the significant role of protons (even at near neutral pH), and validated the model for major cations (Na and Ca). However, the study concerning Zn (II) showed a discrepancy between the results obtained from batch experiments and those issued from column experiments, which could be attributed to the contribution of another sorbent phase (illite). Finally, the proposed sorption model allowed reproducing with a good confidence experimental data reported from literature for sorption of Zn (II) in dynamic conditions.