L’ébullition est un mode de transfert de chaleur intervenant dans de nombreux systèmes thermiques ou énergétiques de par son efficacité. Dans certains, elle se produit à basse pression. La pression statique induite par la colonne de liquide au-dessus de la surface de formation des bulles n’est alors pas négligeable devant la pression de saturation à la surface libre. Dès lors, la pression et le sous-refroidissement induit ne peuvent plus être considérés homogènes autour des bulles, d’où des inhomogénéités des propriétés thermophysiques dans le fluide. Les influences relatives des forces s’exerçant sur une bulle pendant sa croissance sont modifiées par rapport aux pressions plus élevées : une dynamique de bulles différente apparaît. Ces conditions particulières affectent également les transferts thermiques. L’influence de la pression sur l’ébullition en vase a été étudiée expérimentalement dans le régime de bulles isolées en site unique. L’eau a d’abord été testée sur une large gamme de pressions subatmosphériques. Quatre comportements de dynamique de bulles ont été identifiés d’après la visualisation par caméra rapide. Plusieurs paramètres de la dynamique ont été quantifiés grâce à un traitement d’images adapté appliqué aux vidéos. Pour généraliser le concept d’ébullition à « basse pression » et mieux en appréhender les phénomènes fondamentaux, de nouveaux essais ont été réalisés avec un second fluide, le cyclohexane, choisi pour sa similitude thermodynamique avec l’eau bouillant en deçà de la pression atmosphérique. La comparaison des comportements des deux fluides a permis d’identifier certains paramètres responsables des spécificités du phénomène. En outre, de nouvelles fonctionnalités sont apportées au dispositif expérimental pour – notamment – effectuer la mesure rapide du flux transféré sous la bulle pendant sa croissance, synchroniser ces mesures thermiques avec l’acquisition d’images et étudier des surfaces d’ébullition structurées. Les résultats obtenus sont encourageants pour l’analyse des comportements spécifiques de l’ébullition à basse pression et ses applications. / Boiling is an efficient heat transfer mode used in numerous thermal or energy systems. In some systems boiling takes place at low pressure. The static head of the liquid column over the wall where bubbles nucleate is then not negligible against the saturation pressure at the free surface level. The pressure and the induced subcooling degree therefore cannot be considered as homogeneous around growing bubbles, resulting in non-homogeneous thermophysical properties in the fluid. The relative influence of the forces acting on a growing bubble differs from higher pressure conditions, yielding specific bubble dynamics features. Heat transfer is consequently also affected. The effect of the pressure on pool boiling was experimentally investigated during the isolated bubbles regime taking place from a single activated nucleation site. Experiments were first conducted with water for a wide range of subatmospheric pressures. Four distinct bubble dynamics behaviors were identified through high-speed camera visualizations. An adapted image processing of the recordings enabled the measurement of several bubble dynamics characteristics. In order to generalize the concept of pool boiling at "low pressure" and to get a better understanding of the related fundamental phenomena, new experiments were performed with a second fluid, cyclohexane, chosen from original thermodynamic similarity with water boiling at pressures lower than atmospheric. The comparison of fluids’ behaviors made possible the identification of parameters governing the specific phenomena occurring during boiling at low pressure. Besides, the experimental facility was improved to provide new functionalities. The high-speed measurement of the heat flux transferred under the growing bubble, its synchronization with the high-speed videos images and the study of boiling on enhanced surfaces are in particular made possible. Results are encouraging for a better understanding of the specific behaviors of low pressure boiling and for its future implementation in practical applications.

Cette thèse exploratoire pose les bases scientifiques et méthodologiques d’une approche transversale visant à étudier l’énergétique urbaine et le bio-climatisme. Elle fait appel à des concepts et des outils de l’architecture et l’urbanisme, et à la physique du bâtiment et de la ville. Cette thèse étudie les relations entre la morphologie urbaine et les processus aérodynamiques qui se développent dans la canopée urbaine et leurs effets sur la demande énergétique des bâtiments induite par les infiltrations d’air et les échanges thermiques convectifs. Les spécificités de l’aérodynamique et de la physique urbaines sont d’abord synthétisées et la morphologie de tissus urbains réels est analysée. Une typologie générique de bâtiments isolés et une autre d’îlots urbains en sont déduites. Le modèle CFD est ensuite validé par comparaison des prédictions du modèle avec des résultats expérimentaux et numériques, et des expérimentations numériques sont réalisées sur les différents types morphologiques. Les écoulements moyens sont analysés dans leurs rapports avec la morphologie bâtie, et la distribution des coefficients de pression sur les façades des bâtiments est analysée. Ensuite, les échanges thermiques sont couplés aux processus aérodynamiques. L’amélioration des estimations des échanges convectifs des bâtiments grâce à la CFD est vérifiée par comparaison des résultats de simulation avec des données expérimentales et numériques, ainsi qu’avec les valeurs standard. Une adaptation des fonctions de paroi relatives au transfert thermique est proposée sur la base d’études existantes, et la distribution des échanges convectifs sur les façades de bâtiments est analysée. Enfin, la demande énergétique des bâtiments due aux infiltrations d’air et à la transmission de chaleur au travers de leur envelope est estimée pour différents types morphologiques, et comparée avec les valeurs estimées suivant une approche réglementaire. Les résultats de cette thèse mettent en évidence les effets des propriétés topologiques et métriques des bâtiments et ensembles bâtis sur le développement de recirculations d’air dans la canopée urbaine. Celles-ci induisent une distribution et intensité hétérogènes des coefficients de pression et d’échange convectif sur les façades des bâtiments, qui influent sur le comportement thermique des bâtiments non isolés et perméables à l’air. Par ailleurs, l’estimation de leur demande énergétique diffère suivant si celle-ci est basée sur les valeurs simulées ou standard des coefficients de pression et d’échange convectif. Cependant, l’influence relative de la structure bâtie sur la demande énergétique des bâtiments apparaît plus importante pour les bâtiments isolés thermiquement. La différence entre la demande énergétique par unité de surface de plancher, due aux infiltrations d’air et pertes thermiques au travers de l’enveloppe peut varier de 18% à 47% suivant si le bâtiment est isolé ou situé dans un environnement bâti. / This thesis is an exploratory study that lays the scientific and methodological foundations of a transverse approach for studying urban energy and bio-climatic issues. This approach involves concepts and tools of building and urban physics as well as urban planning and architecture. It addresses the relations between urban morphology and aerodynamic processes, and studies their effects on the building energy loads due to infiltration and convective heat losses. This thesis is divided into three main parts. The first part synthesizes the specificities of urban aerodynamics and urban physics, and analyzes existing urban fabrics from a morphological point of view. Generic typologies of isolated buildings and urban blocks for small scale aerodynamic studies are deduced. The second part validates the computational fluid dynamics (CFD) model (steady RANS RSM) against detailed experimental and numerical data, and presents the numerical experiments performed on the different morphological types. Mean flow structures that develop according to the construction shape and built environment, as well as pressure distribution on the building outer walls are examined. The last part couples heat and air fluxes to evaluate the contribution of urban air flows on the building energy loads. The improvement brought by CFD to the assessment of building convective heat transfers is verified by comparing numerical results to experimental data, detailed numerical studies and standard correlations. An enhanced temperature wall-function adapted for forced convection problems is adjusted to the model based on existing studies, and the convective heat transfers distribution on building facades is analyzed. Finally, the building energy loads due to air infiltration and heat transmission are estimated for typical constructions and compared to standard values. The results of this thesis show strong effects of the topology and dimensionality of constructions and urban structures on the development of recirculation phenomena within the urban canopy layer. The related aerodynamic conditions yield heterogeneous pressure and convective heat transfer intensities and distributions on building facades, which depend upon the considered built morphology. Their effects on building energy loads are logically particularly important in absolute value for buildings that are neither insulated nor air tight. Nonetheless, the estimates of the building energy needs based on standard or simulated pressure and convective heat transfer coefficients often show substantial deviation. Focusing on the relative contribution of the built structure, the effects of the aerodynamic context appear more influential for insulated buildings. Essentially, switching from an exposed to a sheltered building may decrease the energy needs per surface unit of floor due to air infiltration and heat transmission through outer walls by 18% up to 47% according to simulation.

La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature. / Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods.

Le transfert radiatif dû aux gaz joue un rôle important dans les applications industrielles comme les chambres de combustion, les sciences atmosphériques, etc. Plusieurs modèles ont été proposées pour estimer les propriétés radiatives des gaz. Le plus précis est l'approche dite Raie Par Raie (RPR). Cependant, cette méthode implique un coût de calcul excessif qui la rend inappropriée pour la plupart des applications. Néanmoins, elle reste la méthode de référence que nous utiliserons pour l'évaluation d’autres modèles approchés. Le modèle de coefficient d’absorption corrélé (Ck) est généralement suffisant pour de nombreuses applications. Cette méthode est réputée précise lorsque petits gradients de température sont rencontrés au sein du gaz. Toutefois, si le milieu gazeux est soumis à d'importants gradients de température, la méthode Ck peut conduire à des erreurs qui peuvent atteindre 50% en termes de flux radiatifs par rapport à des simulations de RPR. Le but de cette thèse est de proposer une version améliorée de la méthode Ck, appelée l'approche de coefficient d’absorption corrélé en multi spectral (MSCk). La principale différence entre les modèles Ck et MSCk est que, dans l'approche Ck les intervalles spectraux sur lesquels les propriétés radiatives des gaz sont moyennées sont choisis contiguës alors que, dans l’approche MSCk, ces intervalles sont construits afin d'assurer que le coefficient d'absorption soit corrélé sur ces intervalles. Par conséquent, l'hypothèse de corrélation dans l’approche MSCk est mieux adaptée que dans l’approche Ck. La construction de ces intervalles spectraux (en utilisant la méthode de classification automatique de données fonctionnelles) est détaillée. Cette approche est évaluée par rapport à la référence RPR dans plusieurs cas test. Ces cas traitent de mélanges de gaz (H2O-N2 et H2O-CO2-N2) dans l’intervalle de température [300-3000K]. Les résultats montrent que la méthode MSCk permet d'obtenir de meilleures précisions que les méthodes Ck tout en restant acceptable en termes de coût de calcul. / Radiative heat transfer of gas plays an important role in industrial applications such as in combustion chambers, atmospheric sciences, etc. Several models [11] have been proposed to estimate the radiative properties of gases. The most accurate one is the Line-By-Line (LBL) approach. However, this technique involves excessive computation cost which makes it inappropriate for most applications. Nevertheless, it remains the reference approach for the assessment of other approximate models. The Correlated k-distribution method (Ck) [11] was shown to be a relevant choice for many applications. This method performs usually well, when only small temperature gradients are involved [21]. However, if the gaseous medium is subject to large temperature gradients, it may lead to errors that can reach 50% in terms of radiative heat fluxes when compared to LBL simulations [21]. The aim of the present paper is to propose an enhanced version of the Ck method, called the Multi-Spectral Correlated k-distribution approach (MSCk). The main difference between Ck and MSCk models is that in the Ck approach spectral intervals over which the radiative properties of the gas are averaged are chosen contiguous whereas, in the MSCk technique, those intervals are built in order to ensure that the absorption coefficient are scaled over them [27]. Accordingly, the usual assumption of correlated spectrum used in k-distribution approaches for the treatment of non uniformities is more acceptable in the MSCk case than in the Ck one. The building of those spectral intervals (using Functional Data Clustering, [52]) is detailed and the approach is assessed against LBL reference data in several test cases. These cases involve H2O-N2 and H2O-CO2-N2 mixtures in the [300-3000K] temperature range. Results show that the MSCk method enables to achieve better accuracies than Ck methods while remaining acceptable in terms of computational cost.