Small wind turbines that operate in low-wind environments are prone to suffer performance degradation as they often fail to accelerate to a steady, power-producing condition. The behaviour during this process is called “starting behaviour” and it is the subject of this present work. This thesis evaluates potential benefits that can be obtained from the improvement of starting behaviour, investigates, in particular, small wind turbine starting behaviour (both horizontal- and vertical-axis), and presents aerofoil performance characteristics (both steady and unsteady) needed for the analysis. All of the investigations were conducted using a new set of aerodynamic performance data of six aerofoils (NACA0012, SG6043, SD7062, DU06-W-200, S1223, and S1223B). All of the data were obtained at flow conditions that small wind turbine blades have to operate with during the startup - low Reynolds number (from 65000 to 150000), high angle of attack (through 360◦), and high reduced frequency (from 0.05 to 0.20). In order to obtain accurate aerodynamic data at high incidences, a series of CFD simulations were undertaken to illustrate effects of wall proximity and to determine test section sizes that offer minimum proximity effects. A study was carried out on the entire horizontal-axis wind turbine generation system to understand its starting characteristics and to estimate potential benefits of improved starting. Comparisons of three different blade configurations reveal that the use of mixed-aerofoil blades leads to a significant increase in starting capability. The improved starting capability effectively reduces the time that the turbine takes to reach its power-extraction period and, hence, an increase in overall energy yield. The increase can be as high as 40%. Investigations into H-Darriues turbine self-starting capability were made through the analogy between the aerofoil in Darrieus motion and flapping-wing flow mechanisms. The investigations reveal that the unsteadiness associated with the rotor is key to predicting its starting behaviour and the accurate prediction can be made when this transient aerofoil behaviour is correctly modelled. The investigations based upon the analogy also indicate that the unsteadiness can be exploited to promote the turbine ability to self-start. Aerodynamically, this exploitation is related to the rotor geometry itself.

Crankcase ventilation contributes significantly to diesel engine particulate emissions. Future regulations will not only limit the mass of particulate matter, but also the number of particles. Controlling the source of crankcase emissions is critical to meeting the perennial legislation. Deficiency in the understanding of crankcase emissions generation and the contribution of lubricating oil has been addressed in detail by the experimental study presented in this thesis. A plethora of high speed laser optical diagnostics techniques have been employed to deduce the main mechanisms of crankcase oil aerosol generation. Novel images have captured oil atomisation and passive oil distribution around the crankcase of an optically accessed, motored, four cylinder, off highway, heavy duty, diesel engine. Rayleigh type ligament breakup of oil films present on the surface of dynamic components, most notably the crankshaft, camshaft and valve rockers generated oil drops below 10 micrometers. Data illustrated not only crankcase oil aerosol generation at source, but it has provided valuable information on methods to control oil aerosol generation and improve oil circuit efficiency. The feasibility of utilising computational fluid dynamics to predict crankcase oil aerosol generation has been successfully assessed using the experimental data. Particle sampling has characterised the crankcase emissions from both a fired and motored diesel engine crankcase. The evolution of submicron crankcase particles down to 5 nm has been recorded from both engines, including the isolated contribution of engine oil, at a wide range of engine test points. Results have provided constructive insight into the generation and control of this complex emission. The main mechanism of crankcase oil aerosol generation was found to be crankshaft oil atomisation. This atomisation process has been analysed in detail, involving high speed imaging of primary and satellite drop generation and high speed digital particle image velocity of the crankshaft air flow. A promising mechanism of regulating and controlling crankcase oil aerosol emissions at source has been studied experimentally.

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.

Cette étude introduit une nouvelle approche appelée Bivariate 2D-EMD pour séparer le mouvement organisé à grande échelle, soit la composante basse fréquence de l’écoulement des fluctuations turbulentes, soit la composante haute fréquence dans un champ de vitesse instantané bidimensionnel.Cette séparation nécessite un seul champ de vitesse instantané contrairement aux autres méthodes plus couramment utilisées en mécanique des fluides, comme le POD. La méthode proposée durant cette thèse est tout à fait appropriée à l’analyse des écoulements qui sont intrinsèquement instationnaires et non linéaires comme l'écoulement dans le cylindre lorsque le moteur fonctionne dans des conditions transitoires. Bivariate 2D-EMD est validé à travers différents cas test, sur un écoulement turbulent homogène et isotrope (THI) expérimental, qui a été perturbé par un tourbillon synthétique de type Lamb-Ossen, qui simule le mouvement organisé dans le cylindre. Enfin, Il est appliqué sur un écoulement expérimental obtenu dans un cylindre et les résultats de la séparation d'écoulement sont comparés à ceux basés sur l'analyse POD. L’évolution d’écoulement dans le cylindre pendant le fonctionnement du moteur transitoire, c’est à dire une accélération du régime moteur de 1000 à 2000tr/min en différentes rampes, sont mesurée en utilisant de PIV 2D-2C haute cadence. Les champs de vitesse sont obtenus dans le plan de tumble dans un moteur un moteur GDI mono-cylindre transparent et forment une base de données nécessaire pour valider les résultats de simulation numérique. / This study introduces a new approach called Bivariate 2D-EMD to separate large-scale organizedmotion i.e., flow low frequency component from random turbulent fluctuations i.e., high frequency onein a given in-cylinder instantaneous 2D velocity field. This signal processing method needs only oneinstantaneous velocity field contrary to the other methods commonly used in fluid mechanics, as POD.The proposed method is quite appropriate to analyze the flows intrinsically both unsteady and nonlinearflows as in in-cylinder. The Bivariate 2D-EMD is validated through different test cases, by optimize itand apply it on an experimental homogeneous and isotropic turbulent flow (HIT), perturbed by asynthetic Lamb-Ossen vortex, to simulate the feature of in-cylinder flows. Furthermore, it applies onexperimental in-cylinder flows. The results obtained by EMD and POD analysis are compared. Theevolution of in-cylinder flow during transient engine working mode, i.e., engine speed acceleration from1000 to 2000 rpm with different time periods, was obtained by High speed PIV 2D-2C. The velocityfields are obtained within tumble plane in a transparent mono-cylinder DISI engine and provide a database to validate CFD.

Dans le cadre du développement des voitures électriques (VE), la solution de chauffage de l’habitacle par pompe à chaleur (PAC) s’impose graduellement en raison des plus grandes efficacités de ces dernières par rapport aux résistances électriques classiques. Cependant, dans certaines conditions, du givre se forme sur l’évapo-condenseur entraînant une dégradation marquée des performances du système. L’enjeu général de ce travail est donc de développer une PAC pour VE efficace en conditions de givrage afin d’améliorer l'autonomie en hiver. Pour ce faire, un évapo-condenseur résistant au givrage est nécessaire. Afin d’améliorer le design de l’échangeur, un modèle dynamique et pseudo 3D d’échangeur à microcanaux, typique de l’automobile, en conditions de givrage a été développé. Un sous-modèle de croissance de givre à la fois simple et précis a été établi en étudiant les différentes hypothèses de modélisation trouvées dans la littérature. Ensuite, au niveau échangeur de chaleur, la clé réside dans la bonne prédiction des pertes de charge aérauliques. Ainsi, une nouvelle approche a été de considérer les épaisseurs maximales locales de givre et une corrélation intégrant l’impact du givre afin de bien prédire les pertes de charge, la chute du débit d’air, et donc la chute de la puissance thermique de l’échangeur. Le modèle complet d’échangeur de chaleur couplé à un ventilateur a été validé expérimentalement. À partir d’une étude numérique basée sur le modèle, deux concepts innovants ont été établis : l’un avec ailettes ondulées débordantes et l’autre avec passes de réfrigérant croisées. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo-condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à ailettes débordantes, a été monté sur véhicule et comparé à l’échangeur de la Zoé. Le prototype a permis d’allonger d’environ 2.5 fois la période de fonctionnement du système. Finalement, un modèle de PAC avec givrage a été réalisé et intégré dans un modèle complet de VE. Pour un VE avec une autonomie d’environ 140 km sans chauffage, il s’avère que le givrage de la PAC dégrade l’autonomie d’environ 15% pour un trajet à 0°C et 90% d'humidité. Grâce à l’utilisation du prototype à ailettes ondulées débordantes, cette perte d’autonomie est de 3% seulement. / In the electric vehicle (EV) development context, the choice of heat pumps (HP) for cabin heating is becoming more popular due to their high efficiency compared to electric heaters. However, under some operating conditions, frost forms on the HP evapo-condenser causing a dramatic drop in the system performances until the system cannot operate. Hence, this work aims at developing a HP for EV which remains efficient under frosting conditions ultimately, to improve the EV range in the winter. This requires the design of a frost-resistant heat exchanger (HX). First, to improve the HX design, a dynamic and pseudo-3D model under frosting conditions of a typical HX for cars has been developed. A simple and accurate frost growth sub-model has been established by studying the various modeling assumptions found in the literature. Then, at the HX level, the key point has been to predict the air pressure losses, via the consideration of the maximum local frost thicknesses and the development of a correlation considering frost, in order to predict the drop of airflow and therefore the drop of the HX cooling capacity. Then, the model of the HX coupled with the fan has been validated experimentally. Using the model, a numerical study has been conducted and two innovative concepts have been established: one with wavy upstream extending fins and the other with crossed passes of refrigerant. Two prototypes were fabricated, using a reference HX taken from the Renault Zoé, and then tested. The best of the two HX, the one with upstream extending fins, was mounted on a VE and compared to the reference case. The prototype allowed extending the system operation by 2.5 times approximately. Finally, a HP model under frosting conditions was built and integrated into a EV model. It appeared that, for an EV with a range of approximately 140 km without heating, the HP frosting degrades the autonomy by about 15% at 0°C and 90% humidity, which was reduced to 3% via the use of the innovative HX prototype with wavy upstream extending fins.

La réfrigération magnétique est une technologie émergente grâce à des avantages considérables par rapport aux technologies de réfrigération classiques. Cette technologie basée sur l’effet magnétocalorique offre d’importants avantages environnementaux car d’une part l’efficacité théorique des cycles utilisés est supérieure à celle des technologies classiques et d’autre part son fonctionnement ne nécessite pas une utilisation de gaz/vapeur `a fort effet de serre. En revanche des verrous scientifiques restent à lever, Le modèle multi-physique proposé dans cette thèse à pour but d’améliorer la précision de calcul. Il consiste à coupler un modèle 3D magnétostatique résolu par la méthode des éléments finis, un modèle magnétocalorique analytique et un modèle thermo-fluidique résolu par méthode des différences finies. Parallèlement, un banc d’essais a été conçu, optimisé et réalisé, ce banc permettra de faire des mesures fines des différents phénomènes qui interagissent dans la réfrigération magnétique. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work of this thesis deals with studying and designing a magnetic refrigeration prototype. A multiphysic model is developed, this model taking into account several magnetic and magnetocaloric aspect that never dealt in the literature. It is used to investigate the influence of a range of parameters on the performance of the AMR. A new test bench of magnetic refrigeration is also designed, it is based on a particular electromagnet that was optimally realized. The magnetic performances are showed and concord with design prevision. Finally, suggestions for future works are provided based on the knowledge presented here.

Cette étude concerne un système de stockage d’électricité basé sur le stockage thermique. Le principe est de convertir de l’électricité issue d’énergies renouvelables en chaleur lorsque la production est supérieure à la demande, de conserver cette chaleur puis de la reconvertir en électricité lorsqu’un besoin se présente. Le système proposé s’appuie sur une technologie de stockage sensible à haute température : le stockage régénératif gaz/solide. Ce stockage est associé à une boucle de charge et à un cycle thermodynamique de restitution électrique. Dans cette étude, deux architectures sont étudiées pour ce dernier : la première est basée sur un cycle gaz, la seconde sur un cycle combiné Joule/Rankine. Un modèle global du système est développé sur la base d’une modélisation de chaque composant à un niveau de détail approprié. Sur la base de ce modèle, une analyse thermodynamique est menée. Celle-ci identifie le rendement exergétique global du procédé, proche de celui d’un cycle à combustion. Une analyse exergétique détaillée du stockage identifie les principaux postes d’irréversibilités dans ce composant. Elle montre qu’il est possible d’optimiser de manière relativement simple ses performances en jouant sur son dimensionnement. Par la suite, une analyse économique montre qu’en dépit de ses performances inférieures, le cycle gaz est associé à des coûts d’investissement limités qui rendent son utilisation pertinente. En termes de coût du stockage, le système étudié est compétitif avec des solutions comme les batteries. / This study concerns an electricity storage system based on thermal energy storage. Its overall purpose is to convert electricity produced by renewable energies into heat when the supply exceeds the demand. This heat is stored for a few hours and converted back to electricity when there is a need for it. The proposed system relies on a high temperature sensible thermal energy storage technology known as the gas/solid packed bed thermal storage. This storage comes with a charging loop and a thermodynamic cycle to carry out the heat to electricity conversion. In this study, two main architectures are considered for this cycle: a simple gas cycle and a Joule/Rankine combined cycle. Each component is modeled with an appropriate level of detail in order to create a global model of the system. This model is used to carry out a thermodynamic analysis. This study calculates the global exergy efficiency of the whole process, which is close to exergy efficiency of a combustion cycle. A detailed exergy analysis of the storage allows to identify the main phenomena behind the availability losses of this component. It shows that it is possible to increase the efficiency of the storage by modifying its sizing. Apart from this study, an economic analysis shows that regardless of its low energy and exergy efficiencies, the gas cycle comes with limited investment costs which insure an interesting profitability. In terms of storage cost, the proposed system is close to other electricity storage solutions like batteries.

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.

L'objectif de la thèse est de développer des systèmes de Barrières Thermiques (BT) « capteurs » base zircone yttriée (ZrO2 + 9.8mol% Y2O3, YSZ) déposés par voie sol-gel selon un procédé de trempage-retrait. Ceux-ci sont dédiés à la mesure de la température par des méthodes de thermométrie par fluorescence et au suivi de l'endommagement dans l'épaisseur des revêtements. Les méthodes proposées sont basées sur le suivi de l'évolution, notamment avec la température, des propriétés de photoluminescence de marqueurs fluorescents lanthanides Ln3+, tels que l'europium Eu3+, le dysprosium Dy3+, l'erbium Er3+, le samarium Sm3+ ou encore le thulium Tm3+. Ceux-ci sont directement incorporés dans la structure de la zircone, semi-transparente dans le domaine d'émission visible de ces marqueurs. Un banc de mesure des propriétés de fluorescence (spectres, intensités et temps de vie) a spécifiquement été développé dans ce but. La caractérisation des différents couples YSZ:Ln3+ sous forme de poudres synthétisées par voie sol-gel a permis d'optimiser les compositions de manière à maximiser l'intensité du signal de fluorescence tout en préservant les propriétés microstructurales requises pour une BT. Les dépôts sol-gel réalisés par trempage-retrait permettent la fabrication de prototypes de BT multicouches fonctionnalisées intégrant jusqu'à trois couches fluorescentes de longueurs d'onde d'émission distinctes. De tels systèmes architecturés permettent de sonder optiquement la totalité de l'épaisseur de zircone déposée pour de futures applications visant à évaluer les gradients thermiques siégeant dans le volume des revêtements. Des BT fonctionnalisées contenant des défauts de délamination pré-calibrés à l'interface métal/céramique ont été également utilisées pour comparer l'intérêt d'une méthode de fluorescence accrue par réflectance et d'une méthode de thermographie infrarouge pour le suivi et l'évaluation des processus d'endommagement précurseurs de l'écaillage. Enfin, le potentiel qu'offrent les poudres de zircone YSZ:Ln3+ dopées en tant que marqueurs fluorescents de l'histoire thermique, alternatifs aux peintures thermiques utilisées industriellement, a aussi été analysé. / The aim of this work is to develop and study yttria stabilised zirconia (ZrO2 + 9.8at% Y2O3, YSZ) based thermal barrier coating (TBC) « sensor » systems deposited by a dip coating sol-gel process, and dedicated to temperature measurement and to the monitoring of damaging occuring within the thickness of the coatings, using fluorescence thermometry methods. These methods are based on the monitoring of the fluorescence properties of photoluminescent activators from the trivalent lanthanide ions group (Ln3+), such as samarium Sm3+, europium Eu3+, dysprosium Dy3+, erbium Er3+ and thulium Tm3+. These activators are directly incorporated into the zirconia YSZ host matrix lattice, which is semi-transparent at their emission wavelengths mainly falling in the visible range. An experimental set up was especially developped for the application of these methods. The characterisation of the different YSZ:Ln3+ powders synthesized by a sol-gel process allowed to optimise the compositions, and thus maximize the fluorescence signal intensity while avoidind any alteration of the zirconia crystal structure required from for a TBC material. The sol-gel dip coating process allowed to deposit functionalised multilayer TBC prototypes integrating up to three fluorescent layers with distinct emission wavelengths distributed throughout the thickness. Such coating architectures allow, with the fluorescence thermometry methods identified, to optically probe the coating across the whole thickness for future applications aiming to determine the thermal gradient in TBCs. Functionalised TBCs containing pre-calibrated delamination defects at the metal/ceramic interface were also used to compare the interest of the reflectance enhanced fluorescence method and an IR thermography method for early monitoring of TBC spallation. At last, the potential offered by YSZ:Ln3+ powders as thermal history sensors alternative to temperature sensitive paints was also investigated.

Dans le domaine de la réfrigération des bâtiments, le couplage d'une pompe à chaleur (PAC) avec un stockage d'énergie thermique est un moyen significatif pour en réduire le coût de fonctionnement énergétique et pour mieux dimensionner les équipements. Un prototype de ce système couplé avec un stockage thermique par MCP (Matériaux à Changement de Phase) est construit et mis en oeuvre dans le cadre du projet ANR ACLIRSYS (Commande avancée des systèmes de réfrigération à faible inertie). L'objectif de cette thèse est d'en proposer un modèle dynamique en vue de sa commande. Dans les échangeurs de la PAC, le fluide frigorigène peut être vapeur, liquide ou un mélange des deux tandis que le MCP du stock peut être solide, liquide ou un mélange des deux. Par conséquent, un modèle de type hybride est nécessaire pour tenir compte des différentes configurations possibles afin de résoudre les équations de bilan de masse et d'énergie dont les expressions diffèrent en fonction de ces configurations. Dans ce travail, des modèles statiques sont utilisés pour le compresseur et le détendeur de la PAC, et les modèles des échangeurs de la PAC et du stock sont basés sur une représentation des écoulements par une cascade de Réacteurs Parfaitement Agités Continues (RPAC). Le mécanisme de commutation entre les diverses configurations est conçu pour garantir la continuité de l'évolution simulée du système. Cette commutation est effectuée par des opérations matricielles, ce qui permet d'aboutir à une représentation globale et très compacte du système. Les propriétés thermodynamiques du fluide frigorigène et leurs dérivées partielles sont déterminées de façon analytique à l'aide d'une équation d'état. Deux versions du modèle du stock sont proposées. Une version simplifiée du modèle de surfusion et une version plus détaillée basée sur la méthode des bilans de population. Des données expérimentales recueillies sur le prototype ont permis de valider le modèle développé. Des expérimentations en régime transitoire ont été réalisées en faisant varier les conditions opératoires. Ces données concernent le fonctionnement de la PAC seule, du stock seul et du système couplé. Un bon accord a été obtenu entre les résultats numériques et les données expérimentales / In the area of buildings refrigeration, the use of thermal energy storage coupled with heat pump is a significant way for reducing the operating costs and optimizing the design of equipment. A prototype of refrigeration-PCM (Phase Change Material) energy storage system is built and implemented within the framework of the project ACLIRSYS (Advanced Control for Low Inertia Refrigeration Systems), funded by the French National Research Agency. The objective of my PhD thesis is to propose a dynamical physical model for the complete system. Within the evaporator and condenser of the heat pump, the refrigerant can be liquid, vapor or mixture of both, while the storage media can be solid, liquid or a mixture of both. Therefore, it is necessary to consider the discrete events associated to phase changes in order to solve the energy and mass balances in different configurations. In this work, static models are used for the compressor and the expansion valve of the heat pump. The heat exchangers of the heat pump and the storage models are based on a representation of the fluid flows by a cascade of Continuous Stirred Tank Reactors (CSTRs). In order to assure the continuity of system evolution, the switching mechanism between different configurations is established. This switching is performed by matrix operations, which permit to achieve a global and very compact representation of the system. The thermodynamic properties of the refrigerant and their partial derivatives are analytically determined by using an equation of state. Two versions of the model for the storage are proposed. A simplified version where the supercooling is assumed to take place at a constant temperature and a more detailed version based on the population balance equations. Experimental data from the prototype has been used to validate the developed model. Experiments in transient states were performed by varying the operating conditions. These date relate to the functioning of the heat pump alone, the storage alone and the coupled system. A very good agreement between the numerical results and experimental data was obtained