Thèse de doctorat : Mécanique et Énergétique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant dans les systèmes de climatisation automobile en remplacement du HFC-134a. L’objectif est d’assurer le bon dimensionnement de l’évaporateur. Cela nécessite une étude du comportement de la vaporisation du CO2 dans les mini-canaux et la caractérisation expérimentale de l’échange de chaleur et de masse côté air assuré par des ailettes à persiennes. La vaporisation du CO2 est dominée par un régime d’ébullition nucléée offrant des coefficients d’échange très élevés et par un assèchement (disparition du film liquide en contact de la paroi) précoce. À partir de données expérimentales issues de la littérature, une méthode prédictive du coefficient d’échange de chaleur en fonction du titre en vapeur a été développée. Cette méthode combine des modèles de transfert de chaleur d’ébullition nucléée, d’évaporation convective et de post-assèchement. Du côté air de l’évaporateur, un travail expérimental a été mené pour étudier l’impact de l’humidité absolue sur la performance thermohydraulique des ailettes à persiennes. Il ressort qu’à partir d’un nombre de Reynolds relativement faible et en mode de déshumidification, l’augmentation de l’humidité absolue de l’air dégrade le coefficient d’échange de chaleur sensible alors que l’efficacité d’ailette reste quasiment inchangée. Enfin, tous ces résultats nous ont permis de développer un modèle de simulation du fonctionnement des évaporateurs à mini-canaux basé sur une discrétisation fine de l’échangeur ; c’est un outil précieux pour le dimensionnement et l’optimisation de tels échangeurs de chaleur. / This work deals with the use of carbon dioxide as refrigerant for automotive air conditioning systems in replacement of HFC-134a. The objective is to provide the right design of evaporators. For that, it is necessary to study the vaporization of CO2 inside minichannels and to characterize the heat and mass transfer on the air-side. CO2 vaporization is characterized by a predominant nucleate boiling, leading to high heat transfer coefficients, and an early dryout (disappearance of liquid film in contact with the wall). From experimental data found in the literature, a predictive method of heat transfer coefficient according to the vapor quality has been developed. This method combines heat transfer models of nucleate boiling, convective evaporation and post-dryout. On the air-side of the evaporator, an experimental work has been performed to study the impact of absolute humidity on the thermal-hydraulic performance of louvered fins. We noted that from a relatively low value of Reynolds number, in dehumidifying conditions, the increase in absolute humidity degrades the sensible heat transfer coefficient, while the fin efficiency remains almost unchanged. Finally, all these results allowed us to develop a numerical model of minichannels evaporator based on a fine discretization of the heat exchanger; it is a valuable tool for the design and optimization of such heat exchangers.

La réduction de la taille des circuits CMOS vers des dimensions extrêmement petites est telle que son élément constitutif, le MOSFET à base de Silicium, commence à souffrir d’une faible efficacité de puissance. L’une des alternatives qui ne peut être écartée est le concept du transistor MOSFET à base de matériaux III-V. Ses propriétés de transport extraordinaires, apportées par les matériaux III-V, promettent de réduire la tension d’alimentation des circuits CMOS sans réduire leur performance. Cette transition technologique pourrait aboutir non seulement à des circuits CMOS plus petits, plus écologiques mais aussi à des circuits co-intégrés avec des technologies RF. C’est dans ce contexte que nous présentons, dans ce travail de thèse, la fabrication et la caractérisation des transistors MOSFET Ultra-Thin Body (UTB) à base d’InAs et du transistor FinFET à base d’InAs. La combinaison d’une longueur de grille extrêmement réduite, d’une faible résistance d’accès et d’une mobilité impressionnante dans le canal d’InAs a permis d’obtenir des courants importants (IMAX=2000mA/mm pour LG=25nm). Egalement, l‘utilisation des architectures du canal de type ultra mince et FinFET permet d’obtenir un bon contrôle électrostatique. De plus, une spécificité du procédé technologique présentée dans ce travail est les réalisations des contacts et du canal par une épitaxie par jets moléculaires (MBE) localisée. / Scaling the size of CMOS circuits to extremely small dimensions gets the semiconductor industry to a point where its cornerstone, Silicon-based MOSFET starts to suffer a poor power efficiency. In the quest for alternative solutions cannot be omitted a concept of III-V MOSFET. Its outstanding transport properties hold a promise of reduced CMOS supply voltage without compromising the performance. This can path a way not only to the smaller, greener electronics but also to more co-integrated RF and CMOS electronics. In this context, we present fabrication and characterization of Ultra-Thin body InAs MOSFETs and InAs FinFET. Synergy of a deeply scaled gate length, low access resistance and a high mobility of InAs channel enabled to obtain impressively high drain currents (IMAX=2000mA/mm for LG=25nm). Equally, the introduction of Ultra-Thin body and FinFET channel design provides an improved electrostatic control. A specific feature of the process presented in this work is a fabrication of contacts and channel by localized molecular beam epitaxy MBE epitaxy.

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.

Cette étude concerne un système de stockage d’énergie thermique par changement de phase, de type tubes et calandre et destiné à être raccordé à la sous-station d’un réseau de chaleur. Le travail s’axe autour des transferts thermiques dans le MCP et du régime de convection dans le fluide caloporteur.La première étude expérimentale s’attache à montrer l’importance des inserts à l’intérieur du tube où circule le fluide caloporteur, pour sortir des régimes de convection mixte défavorables au système. Deux tubes ailettés sont testés avec deux types d’insert différents. Les inserts testés sont cylindriques et hélicoïdaux. Les performances thermiques sont meilleures avec ces derniers. Les tubes ont des densités d’ailettes suffisamment élevées pour que les transferts thermiques par convection, dans le MCP, soient négligeables. Une approche analytique a permis d’estimer les conductivités thermiques effectives dans le MCP au contact des ailettes à partir des résultats expérimentaux. Elles sont estimées à 7,4 et 10,9 W/m/K pour des densités d’ailettes de 7 et 10 fpi respectivement.La seconde campagne expérimentale se penche sur des géométries d’échangeurs novatrices : des tubes équipés soit d’une mousse stochastique en cuivre, soit d’une mousse régulière en aluminium. Les conductivités thermiques effectives sont estimées à 13,4 et 39,5 W/m/K respectivement. Le potentiel de ces échangeurs est mis en avant à travers des comparaisons avec d’autres géométries d’échangeurs. En particulier, l’échangeur à mousse de cuivre permet de transférer plus d’énergie en un temps plus court qu’un échangeur à ailettes radiales en cuivre, bien que la quantité de cuivre dans la mousse soit moindre que dans les ailettes.Enfin, un modèle numérique de CFD 2D-axisymétrique est validé expérimentalement. Ce modèle confirme que la convection naturelle a une influence négligeable sur les performances thermiques à l’échelle du système, mais qu’elle joue un rôle dans la forme du front de fusion entre et en périphérie des ailettes. / This study is about a shell and tubes latent heat thermal energy storage system. This system is expected to be integrated in a district heating network substation. Heat transfers inside the PCM as well as convection flow regime inside the heat transfer fluid are investigated.A first experimental study aims at demonstrating the necessity of internal insert inside the tubes in order to avoid mixed convection flow regime. Two highly finned tubes as well as two inserts are tested. Inserts are either cylindrical or helical. Better thermal performances are obtained with the helical one. Besides, it is shown that free convection, between the fins is negligible. Effective thermal conductivities are estimated with an experimental and analytical approach at 7.4 and 10.9 W/m/K for the 7 fpi and the 10 fpi tube.A second test campaign is carried out with metallic foams. The first one is stochastic and in copper while the second one is regular and in alumina. Effective thermal conductivities are around 13.4 and 39.4 W/m/K respectively. The copper foam heat exchanger is shown to be better than a copper finned tube in terms of stored energy and thermal power, whereas only half the mass of the fins is used in the foam.Eventually a CFD numerical model is experimentally validated. This model shows that free convection inside the PCM is negligible on the overall thermal performances even though it modifies the solid/liquid interface shape locally.

La prédiction du bruit émis par les unités extérieures des pompes à chaleur, provenant en partie des batteries à ailettes, constitue un enjeu industriel important. L’obstacle majeur réside dans l’impossibilité de réaliser le calcul acoustique d’une batterie à ailettes avec les outils de simulation classiques (Éléments Finis de Frontière) à cause du trop grand nombre d’éléments nécessaires (près de 600 ailettes par mètre). Cette thèse a pour objectif d’exploiter la périodicité des batteries à ailettes afin de pouvoir calculer leur bruit rayonné à partir du rayonnement d’une seule ailette. La propagation des vibrations est décrite sous la forme d’une décomposition en ondes, autorisant la réalisation séparée des calculs pour chaque onde. Le déplacement en tout point de la structure est calculé à partir du déplacement d’un seul élément unitaire, obtenu par la Méthode des Éléments Finis (FEM). Un élément unitaire acoustique est spécialement défini, comprenant des baffles rigides destinés à représenter l’influence des autres ailettes de la structure. Le rayonnement de cet élément est calculé pour chaque onde en utilisant la méthode des Éléments Finis de Frontière (BEM), puis dupliqué spatialement en tenant compte de la nature propagative des différentes ondes. Pour chaque structure étudiée, la comparaison avec le calcul direct de la structure complète montre une très bonne concordance avec des temps de calcul fortement réduits. L’influence de plusieurs paramètres sur le comportement de la structure a également été identifiée, mettant ainsi en évidence certains phénomènes particuliers propres aux structures périodiques. Dans la dernière partie de cette thèse, une validation expérimentale de l’approche périodique est proposée. Les résultats numériques sont comparables aux mesures vibratoires et acoustiques réalisées sur les batteries à ailettes. / The prediction of noise from outdoor units of heat pumps, partly coming from finned coils, is an important industrial issue. The major obstacle to the study of finned coils lies in the inability to perform the acoustic calculation with classic simulation tools (Boundary Element Method) because of the huge number of required elements (about 600 fins per meter). The goal of this thesis is to exploit the periodicity of finned coils in order to calculate the total noise radiated from the radiation of a single fin, and thus get rid of the number of fins composing the structure. The vibrations propagation is described as a wave decomposition, allowing the realization of separate calculations for each wave. The displacement at any point of the structure is calculated from the displacement of a single unit element, obtained with the Finite Element Method (FEM). An acoustic unit element is especially defined, comprising rigid baffles representing the influence of other fins of the structure. The radiation of this component is calculated for each wave using the Boundary Element Method (BEM), then spatially duplicated taking into account the propagation of the different waves. For each considered structure, a comparison with the direct calculation of the complete structure shows very good agreement with greatly reduced computation times. The influence of several parameters on the behaviour of the structure was also identified, thus highlighting some particular phenomena specific to periodic structures. In the last part of this thesis, an experimental validation of the periodic approach is proposed. Numerical results are close to vibratory and acoustic measurements done on the finned coils.

Les vibrations induites par l'écoulement dans le coeur du REP peuvent provoquer une usure par frottement des crayons combustibles par friction au niveau des contacts entre la cellule de grille et les crayons des assemblages combustibles. Cela peut entraîner des dommages irréversibles de la gaine du crayon combustible et compromettre la première barrière de sûreté du réacteur. Assurer l'intégrité de la gaine est une préoccupation majeure dans la sûreté du réacteur. Cependant, les spectres d'excitation des forces fluides agissant sur les crayons ne sont pas bien connus. Le but de cette thèse est d'utiliser des éléments géométriques simples pour reproduire des cellules de grilles d'un REP. SGE ont été effectuées sur une conduite annulaire avec différents maillages en utilisant le code TrioCFD. Une étude de sensibilité de maillage a été réalisée afin de proposer un maillage reproduisant correctement les résultats dans la littérature. Ces informations de résolution de maillage ont été utilisées lors de la réalisation des simulations en utilisant divers obstacles géométriques intérieurs à la conduite, i.e., des ailettes de mélange, une grille circulaire et une combinaison de grille carrée et d'ailettes de mélange. Un maillage hybride a été utilisé dans le cas des ailettes de mélange et dans le cas de cellule de grille carrée. Les caractéristiques hydrauliques ainsi que la pression pariétale ont été analysées dans chaque cas. Il apparaît que la grille carrée est une combinaison approximative du cas des ailettes de mélange et du cas de la grille circulaire. Les simulations ont été comparés avec des mesures réalisées au CEA / Flow-induced vibrations in the pressurized water reactor core can cause fretting wear in the fuel rods. Due to friction, wear occurs at the contact locations between the spacer grid and the fuel rod. This may compromise the first safety barrier of the nuclear reactor by damaging the fuel rod cladding. In order to ensure the integrity of the cladding, it is necessary to know the random fluctuating forces acting on the rods. However, the spectra for these fluid forces are not well known. The goal of this thesis is to use simple geometrical elements to check the reproducibility of realistic PWR spacer grids. As a first step, LES were performed on annular pipe for different mesh refinements using the CFD code TrioCFD. A mesh sensitivity study was performed to propose a good mesh for reproducing standard literature results. This information on mesh resolution was used when carrying out simulations using various geometric obstacles inside the pipe-mixing vanes, circular spacer grid and a combination of square spacer grid with mixing vanes. Structured mesh was generated for the annular pipe case and circular grid case. An innovative hybrid mesh was used for the two remaining cases of the mixing vanes and the square grid; keeping unstructured mesh around the obstacles and structured mesh in the rest of the domain. Both hydraulic and wall pressure characteristics were analyzed for each case. The results for the square grid case were found to be an approximate combination of the mixing vane case and circular grid case. Simulation results were compared with experiments performed at CEA Cadarache. Some preliminary comparisons were also made with classical empirical models.

La prédiction du bruit émis par les unités extérieures des pompes à chaleur, provenant en partie des batteries à ailettes, constitue un enjeu industriel important. L'obstacle majeur réside dans l'impossibilité de réaliser le calcul acoustique d'une batterie à ailettes avec les outils de simulation classiques (Éléments Finis de Frontière) à cause du trop grand nombre d'éléments nécessaires (près de 600 ailettes par mètre). Cette thèse a pour objectif d'exploiter la périodicité des batteries à ailettes afin de pouvoir calculer leur bruit rayonné à partir du rayonnement d'une seule ailette. La propagation des vibrations est décrite sous la forme d'une décomposition en ondes, autorisant la réalisation séparée des calculs pour chaque onde. Le déplacement en tout point de la structure est calculé à partir du déplacement d'un seul élément unitaire, obtenu par la Méthode des Éléments Finis (FEM). Un élément unitaire acoustique est spécialement défini, comprenant des baffles rigides destinés à représenter l'influence des autres ailettes de la structure. Le rayonnement de cet élément est calculé pour chaque onde en utilisant la méthode des Éléments Finis de Frontière (BEM), puis dupliqué spatialement en tenant compte de la nature propagative des différentes ondes. Pour chaque structure étudiée, la comparaison avec le calcul direct de la structure complète montre une très bonne concordance avec des temps de calcul fortement réduits. L'influence de plusieurs paramètres sur le comportement de la structure a également été identifiée, mettant ainsi en évidence certains phénomènes particuliers propres aux structures périodiques. Dans la dernière partie de cette thèse, une validation expérimentale de l'approche périodique est proposée. Les résultats numériques sont comparables aux mesures vibratoires et acoustiques réalisées sur les batteries à ailettes.

Ce mémoire de thèse traite de l’analyse, l’intensification et l’optimisation du transfert thermique convectif dans les échangeurs à plaques et ailettes à pas décalés utilisés notamment dans le domaine automobile comme refroidisseurs d’air de suralimentation. Deux approches complémentaires sont abordées dans cette étude : des simulations numériques visant à l’analyse fine locale des caractéristiques de l’écoulement et des mécanismes de transfert, et une modélisation de type nodale permettant une caractérisation globale des performances thermo-aérauliques. Sur la gamme de Reynolds considérée différentes modélisations de la turbulence sont mises en œuvre et comparées. Ainsi des simulations aux grandes échelles (LES) permettent de qualifier des simulations de type RANS classiquement utilisées jusque-là : de fortes différences tant au niveau structuration de l’écoulement qu’au niveau performances globales sont ainsi mises en évidence selon le régime d’écoulement considéré. La mise au point d’un modèle nodal est ensuite abordée dans le but de mener des optimisations de géométries d’échangeurs non-conventionnels à pas décalés. Les différents scénarii d’optimisation considérés montrent l’intérêt de cette approche autorisant l’évaluation d’un nombre élevé de configurations géométriques. Dans une dernière partie une nouvelle géométrie innovante permettant de générer des tourbillons longitudinaux sur ce type d’ailettes est proposée et étudiée. / This thesis deals with the analysis, intensification and optimization of convective heat transfer in offset strip fins (OSF) heat exchangers used, for example, in the automotive field as water-cooled charge air coolers. Two complementary approaches are carried out in this study: CFD simulations to perform local fine analysis of the flow characteristics and transfer mechanisms, and a nodal type modeling allowing calculation of global aerothermal performance. Over the range of Reynolds numbers considered, different turbulence modeling approaches are implemented and compared: Large Eddy Simulations (LES) and RANS simulations which are usually used. The qualification of the RANS models shows that strong differences, both in the flow structure and at the overall performance evaluation level, may beobserved, depending on the flow regime considered. Then the development of a nodal model is presented. It aims at carrying out rapid optimization of geometries of unconventional OSF heat exchangers. The various optimization scenarios considered show the interest of this approach allowing the evaluation of a large number of geometric configurations. In a last part, an innovative new geometry that generates longitudinal vortices on this type of fins is proposed and studied.

Le contexte industriel est favorable aux échangeurs-réacteurs catalytiques intensifiés puisqu’ils permettent une diminution des limitations aux transferts de matière et de chaleur comparé aux réacteurs conventionnels. Toutefois, l'industrialisation de ces unités est problématique à cause de l'absence de logiciel d’ingénierie de prédiction et d’optimisation de leurs performances. Afin de construire un tel outil, les écoulements, les transferts de matière interne et externe liés aux réactions catalytiques hétérogènes, les transferts de chaleur convectif, conductif, diffusif et par rayonnement sont d’abord analysés, permettant de formuler des hypothèses simplificatrices. Les phénomènes pertinents identifiés sont ensuite mis en équations pour créer la base physique de ProSec Réaction, le nouveau logiciel de simulation des échangeurs-réacteurs. Ce logiciel est validé par comparaison avec les résultats expérimentaux du pilote de vaporeformage du méthane d'Air Liquide et par confrontation avec des simulations tri-dimensionnelles de celui-ci (CFD). L'excellente adéquation entre les résultats expérimentaux et numériques démontre le potentiel de prédiction du modèle mono-dimensionnel développé. Dans le cas particulier des échangeurs-réacteurs à plaques et ailettes catalytiques (wash-coat), une représentation bi-dimensionnelle discrète est construite et permet de tenir compte des effets thermiques radiaux intrinsèques à ces échangeurs particuliers. Enfin, ProSec Réaction est exploité pour évaluer les perspectives d'optimisation géométrique des canaux de l'échangeur-réacteur du pilote d'Air Liquide. Celles-ci montrent la flexibilité et l'intérêt de ce nouvel outil de simulation / Intensified heat exchanger reactors are promising technologies in the current industrial context because of their high potential to significantly reduce heat and mass transfer limitations compared to conventional reactors. However, the absence of simulation software for predicting their performances and optimising their geometry inside a flowsheet is limiting the industrialisation of these units. Preliminary to the development of such a simulation tool, flow characteristics, internal and external mass transfers inherent to heterogeneous catalytic reactions, convective, conductive, diffusive and radiative heat transfers are analysed, allowing the definition of simplifying assumptions. The identified relevant phenomena are then modelled and constitute the physical base of ProSec Reaction, the new heat exchanger-reactor simulation software. This software is validated by comparing the predicted values to the Air Liquide steam reforming pilot plant results and to three-dimensional simulation results as well (CFD). The excellent consistency between numerical and experimental results demonstrates the accuracy and the predictive potential of the developed one-dimensional model. In the specific case of wall-coated plate-fin heat exchanger reactors, a discrete two-dimensional model is built and allows the representation of radial temperature gradients in the material, which are intrinsic to these specific heat exchangers. Finally, optimisation perspectives of the Air Liquide pilot plant heat exchanger reactor channel geometry are evaluated thanks to ProSec Reaction. They demonstrate the flexibility and the benefits of this new simulation tool