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Thermoacoustic devices are built based on interactions between sound wave and a solid boundary, within a well-controlled environment, to produce either power or cooling effect. Recent studies on two important internal structures, namely regenerator and heat exchangers, are reviewed. Furthermore, the need for detailed investigations on a pressure drop condition in the flow through the regenerator and heat transfer condition in heat exchangers working in a thermoacoustic environment is also addressed. A two-dimensional porous medium model is developed based on the pressure drop measurement of a regenerator working in a well-controlled travelling-wave time-phasing, wherein the pressure and velocity of the oscillatory flow across the regenerator are controlled to be in-phase. A friction correlation is proposed based on Darcy’s law. The model is developed in a commercial software ANSYS FLUENT to determine a permeability coefficient for the model. The findings suggest that a steady-state correlation is applicable provided that the travelling-wave time-phasing is met. Otherwise, a phase-shift effect should be considered and the steady-state approximation may no longer hold true. A pair of adjacent plate heat exchangers in the oscillatory flow is studied. It is shown that the application of the temperature difference between “cold” and “hot” plates leads to interesting asymmetries within the flow field. Also a need for a turbulence model at a drive ratio lower than suggested in current literature is discovered and discussed. It is found that the heat absorbed by the cold plate is lower than the heat supplied by the hot plate and heat accumulation is observed in the system. The vortex structures and viscous dissipation change with operating conditions. The combined effect of flow amplitude, natural convection and the “annular effect” of velocity profiles near the channel wall on the flow are discussed. A good agreement with experimental results obtained previously is shown.

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Ce travail est consacré à l’étude des interactions entre dispositifs de désenfumage naturel et systèmes d’extinction (sprinkleur). Deux campagnes expérimentales à grande échelle utilisant conjointement sprinkleur et désenfumage naturel ont été menées dans des halls d’essais du CNPP. Au total, 98 essais instrumentés ont été réalisés en faisant varier le type et la position du foyer et les temps d’activation respectifs des deux dispositifs de sécurité. Les données recueillies incluent principalement des hauteurs libres de fumées, des champs de température et des temps de déclenchement automatique des sprinkleurs. L’ensemble de ces résultats permet la constitution d’une base de données pour la création de cas de validation en utilisant le logiciel FDS (Fire Dynamics Simulator). Des simulations utilisant les données d’entrée relatives aux différents essais sont réalisées et les résultats numériques sont confrontés aux mesures. Le bon accord entre ces résultats permet d’utiliser FDS pour effectuer des bilans de masse et d’énergie pour les différents scénarios étudiés. En utilisant les connaissances accumulées au cours de ces campagnes, des simulations de scénarios incendie dans deux bâtiments existants ont été réalisées. Pour chaque géométrie, différents temps de déclenchement du désenfumage sont testés et les résultats (niveaux de température, temps et nombre de déclenchements de sprinkleurs, transfert de chaleur et de masse) sont comparés / This work is devoted to the study of interactions between smoke and heat exhaust ventilation systems (SHEAVS) and automatic fire sprinklers. Two real scales experimentation campaigns involving sprinklers and SHEAVS have been carried out in fire test facilities at CNPP (France). A total of 98 instrumented tests have been conducted with various fuel type, experimental configuration and activation time of both systems. Collected datas include smoke free layer height, temperature field and automatic sprinkler activation time. These results are used to build a database in order to create a validation case for the software Fire Dynamics Simulator (FDS). Numerical simulations of several tests are conducted using experimental data as input parameters. Results are then confronted to measurements. A good agreement between these results allows us to use FDS in order to realize mass and energy balances for various scenarios. Using knowledge acquired during both campaigns, numerical simulations of fire scenarios in two actual facilities have been conducted. For both configuration, various SHEAVS activation time have been tested and results (temperature levels, time and number of activated sprinklers, heat and mass transfer) have been confronted

In this thesis, we prove the existence and uniqueness of the solution to a Neumann boundary problem for an elliptic differential operator with singular coefficients, and reveal the relationship between the solution to the partial differential equation (PDE in abbreviation) and the solution to a kind of backward stochastic differential equations (BSDE in abbreviation).This study is motivated by the research on the Dirichlet problem for an elliptic operator (\cite{Z}). But it turns out that different methods are needed to deal with the reflecting diffusion on a bounded domain. For example, the integral with respect to the boundary local time, which is a nondecreasing process associated with the reflecting diffusion, needs to be estimated. This leads us to a detailed study of the reflecting diffusion. As a result, two-sided estimates on the heat kernels are established. We introduce a new type of backward differential equations with infinity horizon and prove the existence and uniqueness of both L2 and L1 solutions of the BSDEs. In this thesis, we use the BSDE to solve the semilinear Neumann boundary problem. However, this research on the BSDEs has its independent interest. Under certain conditions on both the "singular" coefficient of the elliptic operator and the "semilinear coefficient" in the deterministic differential equation, we find an explicit probabilistic solution to the Neumann problem, which supplies a L2 solution of a BSDE with infinite horizon. We also show that, less restrictive conditions on the coefficients are needed if the solution to the Neumann boundary problem only provides a L1 solution to the BSDE.

Dans cette thèse, on présente une étude numérique de la convection forcée turbulente dans un dissipateur thermique muni d'une chicane transversale dans le by-pass. Le premier modèle est composé d’ailettes planes et le second consiste à ajouter des ailettes broches entre les ailettes planes. Les équations gouvernantes basées sur le modèle de turbulences k- SSt sont discrétisées et résolues par la méthode des volumes finis et l'algorithme SIMPLE. Les résultats dynamiques sont présentés en en termes de champs de vitesse, des profils de vitesse axiales dans des sections choisies ainsi que la perte de charge. L'étude thermique est présentée en terme de champs de température et de distribution du nombre de Nusselt. Un rapport entre les performances thermique et dynamique est présenté pour évaluer les différents dissipateurs thermiques. / In this thesis, we present an numerical study of turbulent forced convection in a heat sink provided with a transverse baffle in the bypass. The first model is composed of plates fins and the second consists of adding pin fins between the plates fins. The governing equations, based on the k- SSt turbulence model, are disscredized and solved by the finite volume method and the SIMPLE algorithm. Dynamic results are presented in terms of velocity fields, profiles of the axial velocities in selected sections and pressure drop. The thermal study is presented in terms of temperature fields and the distribution of Nusselt number. A ratio between the thermal and dynamic performances is presented to evaluate the different heat sinks.

L'énergie solaire concentrée est une source d'énergie alternative pour la conversion thermochimique de biomasse en vecteurs énergétiques ou en matériaux à haute valeur ajoutée. La production d'un gaz de synthèse à partir de biomasse lignocellulosique en est un exemple, de même que la production de résidus carbonés à propriétés contrôlées. Ces travaux portent sur l'étude du comportement d'un échantillon de hêtre thermiquement épais sous de hautes densités de flux solaire (supérieures à 1000 kW/m²). Deux approches ont été développées en parallèles : une étude expérimentale et le développement d'un modèle numérique. Les expériences ont permis de mettre en lumière le comportement particulier du hêtre sous de hautes densités de flux solaire. En effet, un cratère de char, dont la forme correspond à celle de la distribution du flux incident, se forme dans l'échantillon. Cette étude a aussi montré que la teneur en eau initiale de la biomasse a un fort impact sur son comportement. Les échantillons secs peuvent atteindre un rendement de conversion énergétique de 90 %, capturant jusqu'à 72 % de l'énergie solaire incidente sous forme chimique. Quant aux échantillons humides, ils produisent nettement plus d'hydrogène, au prix d'un rendement de conversion énergétique aux alentours de 59 %. De plus, le craquage thermique et le reformage des goudrons produits par la pyrolyse sont rendus possibles par les températures atteintes (supérieures à 1200 °C) et la présence d'eau. Enfin, il a été montré que l'orientation des fibres du bois n'a qu'un impact mineur sur son comportement. En parallèle, une modélisation des transferts couplés chaleur matière et des réactions chimiques mis en jeu lors de la gazéification solaire d'un échantillon a été développée. La construction du modèle a mis en avant la nécessité de recourir à des stratégies innovantes pour prendre en compte la pénétration du rayonnement dans la matière ainsi que la déformation du milieu par la gazéification. Les prédictions du modèle montrent un bon accord avec les observations expérimentales. Elles ont ainsi permis de mieux comprendre les couplages mis en jeu lors de la dégradation de biomasse sous haute densité de flux solaire. De plus, des analyses de sensibilités ont révélé que les modèles de type Arrhenius ne permettent pas de décrire finement le comportement de l'eau à l'intérieur de l'échantillon et que le choix du modèle de pyrolyse était capital pour décrire correctement le comportement la biomasse sous haute densité de flux solaire. / Concentrated solar energy is as an alternative energy source to power the thermochemical conversion of biomass into energy or materials with high added value. Production of syngas from lignocellulosic biomass is an example, as well as the production of carbonaceous residues with controlled properties. This work focuses on the study of the behaviour of a thermally thick beech wood sample under high solar heat flux (higher than 1000 kW/m²). Two approaches have been undertaken at the same time: an experimental study and the development of a numerical model. Experiments have highlighted a specific behaviour of beech wood under high solar heat flux. Indeed, a char crater, symmetrical to the incident heat flux distribution, forms in the sample. This study has also shown that biomass initial moisture content has a strong impact on its behaviour. The dry sample can achieve an energetic conversion efficiency of 90 %, capturing up to 72 % of the incident solar power in chemical form. While, high initial moisture content samples produce more hydrogen, at the price of an energetic conversion efficiency around 59 %. Furthermore, tar thermal cracking and steam reforming are enabled by the temperatures reached (higher than 1200 °C) and the presence of water. Finally, wood fiber orientation has been shown to have only a minor impact on its behaviour. At the same time, a modelling of the coupled reactions, heat and mass transfers at stake during solar gasification was undertaken. The development of this model has highlighted the necessity to implement innovative strategies to take into account radiation penetration into the medium as well as its deformation by gasification. Numerical model predictions are in good agreement with experimental observations. Based on the model predicted behaviour, further understanding of biomass behaviour under high solar heat flux was derived. In addition, sensitivity analyses revealed that Arrhenius type models are not fitted for precise intra-particular water behaviour description and that the choice of the pyrolysis scheme is key to properly model biomass behaviour under high solar heat flux.

La cuisson par contact direct est un mode de préparation des aliments très courant à travers le monde, cependant peu d’études s’intéressent à cette problématique à l’échelle domestique. Ces travaux tentent d’apporter une contribution à l’étude des phénomènes mis en jeu durant cette opération. Ce manuscrit débute par une revue de différents facteurs impliqués lors de la cuisson : les consommations d’énergie, les types d’appareils utilisés, les phénomènes physico-chimiques intervenant dans le produit ou les problématiques de modélisation y sont abordés. Il s’en dégage qu’une donnée essentielle est la connaissance du flux de chaleur transmis au produit. Une méthode d’estimation de ce flux basée sur les techniques inverses est développée. Celle-ci a contribué à concevoir un prototype instrumenté permettant de suivre les cinétiques des températures dans la plaque chauffante et dans un élastomère simulant un produit alimentaire. Les résultats obtenus montrent que la méthode permet d’estimer le flux de chaleur transmis avec une bonne précision. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cuisson d’une pâte céréalière d’environ 8mm d’épaisseur est présentée. Après avoir caractérisé les propriétés thermophysiques et hydriques, le prototype est utilisé pour suivre les évolutions de différents paramètres comme les températures, le flux de chaleur, la masse en dynamique, et les teneurs en eau. La répétabilité et la variabilité des résultats suivant la température initiale de la plaque sont menés. Ensuite, un modèle 1D simulant les transferts de matière et d’énergie, est utilisé pour étudier les différents facteurs intervenant lors de la cuisson. Un second modèle 2D est réalisé permettant de tester les consommations d’énergie lors d’une opération de cuisson en cadence suivant différents scénarios de conception du prototype. / Direct contact cooking is a very common way of preparing foods throughout the world, but few studies are interested in this issue at the domestic scale. This work attempts to contribute to the study of the phenomena involved during this operation. This thesis begins with a review of the various factors involved in the cooking process: energy consumption, types of appliances used, physico-chemical phenomena implied in the product or modeling problems are discussed. It emerges from this that an essential fact is the knowledge of the heat flux transmitted to the product. A method for estimating this flux based on inverse techniques is developed. This has contributed to design an instrumented prototype allowing to follow the kinetics of the temperatures in the heating plate and in an elastomer simulating a food product. The results obtained show that the method makes it possible to estimate the heat flux transmitted with a good accuracy. In a second step, an experimental study of cooking of a 8 mm thick cereal batter is presented. After having characterized the thermophysical and hydric properties, the prototype is used to monitor changes in various parameters such as temperatures, heat flux, mass in dynamics, and water contents. The repeatability and the variability of the results according to the initial temperature of the plate are carried out. Then, a 1D model simulating mass and heat transfers is used to study the different factors involved in cooking. A second 2D model is realized to test the energy consumption during a cooking operation in cadence according to different prototype design scenarios.