La maîtrise des cycles thermiques lors des opérations de moulage des élastomères est un enjeu important pour les industriels de la mise en oeuvre du caoutchouc. L’objectif scientifique de ce travail de thèse est d’atteindre une maîtrise précise des températures dans les moules lors des opérations de moulage et d’optimiser les conditions de régulation thermique de ceux-ci dès la conception. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle conception des moules, de son système de chauffage et de régulation permettant la maîtrise des températures au plus près de la matière injectée. L’originalité de ce moule réside dans la réduction de la masse d’acier chauffée et la mise en place de zones de chauffe isolées thermiquement entre elles, indépendamment régulées. Cette démarche a été validée par la mise en place d’un montage expérimental original afin d’étudier les transferts thermiques dans l’outillage lors de l’injection de l’élastomère. Une instrumentation fine et complexe du moule dans les cavités moulantes et les canaux d’injection matière, permet le suivi de l’évolution du champ thermique. Les mesures expérimentales permettent d’étudier les phénomènes thermiques intervenant dans l’outillage pendant les cycles de moulage et vérifier l’homogénéité des champs de températures dans le moule. Il permet de valider la stabilité thermique de l’outillage en cours de production. Ces mesures permettent de construire une base de données expérimentale pour alimenter les outils numériques d’aide à la conception des outillages. Les analyses thermique et énergétique des cycles de moulage ont permis une optimisation des paramètres de process afin de mieux maitriser la consommation énergétique lors de la production pour une qualité de pièce équivalente voir meilleure. / The control of the thermal cycles during the operations of moulding of elastomers is an important issue for the rubber industry. The scientific objective of this work is to reach a precise control of the temperature in the moulds during the molding operations in order to optimize the conditions of thermal regulation of those as of the design. In this work, we propose a new design of the moulds, its heating system and regulation allowing us to control the temperatures closest to the part material. The originality of this mould lies in the reduction of the heated mass of the steel and the installation of heating zones thermally isolating between them and independently controlled. This approach was validated by the installation of an original experimental setup in order to study the heat transfers in the tools during the injection of elastomer. A fine and complex instrumentation of the mould in the moulding cavities and the channels of injection matter, allows the follow-up of the evolution of the thermal field. An experimental measurement makes it possible to study the thermal phenomena intervening in the tools during the moulding cycles and to check the homogeneity of the temperatures fields in the mould. It makes it possible to validate the thermal stability of the tools in the course of production. These measurements make it possible to build an experimental database to supply the digital tools of assistance to the design of the tools. The thermic analyses and energetics of the mouldings cycles allowed an optimization of the process parameters in order to better control energy consumption during the production for an equivalent part quality see better.

Aucun résumé disponible ______________________________________________________________________________

D'un point de vu général, l'épuisement prévisible des énergies fossiles, la nécessité de lutter contre le réchauffement climatique, la prise de conscience pour la sauvegarde de l'environnement et enfin la prise en compte du développement durable dans les politiques énergétiques ont mis les énergies renouvelables au cœur d'un enjeu stratégique pour l'avenir de notre planète. Mais pour la République de Djibouti qui connaît actuellement une croissance économique annuelle de 3,5%, il est presque vital d'exploiter son potentiel en matière d'énergies renouvelables pour assurer sa croissance économique, réaliser des économies de devises et atteindre dans un premier temps les objectifs de développement humain du Millénaire dont le calendrier est fixé à 2015. Malheureusement, le pays connaît la même situation énergétique des pays d'Afrique subsaharienne où l'énergie est abondante mais l'électricité est rare ! En effet, la balance énergétique actuelle du pays est fortement déficitaire. Les 97% des besoins énergétiques de la population (majoritairement urbaine à plus de 85%) sont satisfaits par les importations des produits pétroliers et 90% des ménages Djiboutiens utilisent le kérosène comme combustible domestique. Le taux de couverture du réseau électrique est très bas, de l'ordre de 30%. Seulement 0,2 % de la production électrique (avec une capacité totale installée de 130 MW) est faite à partir d'une unique source d'énergie renouvelable (l'énergie solaire photovoltaïque). Et pourtant, le pays dispose d'un important potentiel en énergies renouvelables. Au niveau de l'énergie solaire photovoltaïque (PV), le potentiel solaire techniquement exploitable est évalué à 1535 GWh/jour. Au niveau de l'énergie éolienne, l'estimation du potentiel actuellement exploitable est de 8 MW et pourtant aucune forme d'énergie éolienne (que ce soit le grand ou le petit éolien) n'est exploitée dans le pays. Au niveau de l'énergie géothermique, le potentiel techniquement exploitable est actuellement estimé entre 350 et 650 MWe. Le potentiel économiquement exploitable pour la seule région d'Assal-Ghoubbet est supérieur à 150 MWe, très largement supérieur aux besoins actuels du pays. Au niveau de l'énergie marémotrice, un potentiel non encore évalué existe et pourrait être exploité au niveau de la passe du Goubbet. La planification énergétique que nous proposons pour le moyen long-terme se base sur l'intégration de l'une des énergies renouvelables potentielles et plus particulièrement la plus noble d'entre-elles : la géothermie. En effet, la géothermie possède des atouts que les autres formes d'énergies renouvelables n'ont pas : elle est une énergie de base, indépendante du climat, susceptible d'être exploitée à la fois pour la production de la chaleur et la production électrique. Le schéma électrique que nous proposons est le suivant : A l'horizon 2015, nous estimons que la demande électrique se situera aux alentours de 165 MW. De ce fait, nous préconisons 74,5% d'énergies fossiles (avec une option substituable en période chaude par l'électricité importée depuis l'Ethiopie à hauteur de 30,3%) et 25,5% d'énergies renouvelables (dont 18,2% de géothermie, 6,8% d'éolien et 0,5% de solaire)

Les pompes à chaleur disposant d'une source froide sur l'air extérieur sont moins performantes les jours de grand froid, là où les besoins de chauffage sont les plus élevés. Le déclenchement d'une énergie d'appoint d'origine électrique est souvent nécessaire pour couvrir l'ensemble des besoins de chauffage, ce qui réduit les performances globales de l'installation. De plus, des cycles de dégivrage sont nécessaires sur certaines plages de températures afin d'éliminer la formation de givre sur l'échangeur extérieur, contribuant à réduire les performances du système. Ces comportements ont des conséquences sur la gestion de l'électricité, où les pics de demande coïncident généralement avec les températures extérieures les plus froides. Ces constats sont le point de départ d'une réflexion visant à améliorer les performances des pompes à chaleur et à contribuer à la limitation des pointes de demande en électricité, en couplant la source froide de la pompe à chaleur avec des sources d'air tempérées intégrées au bâtiment. Certains dispositifs intégrés aux maisons individuelles peuvent contribuer à augmenter la température de la source froide des pompes à chaleur, comme par exemple un comble perdu ou une véranda, ou encore un vide sanitaire ou un échangeur air-sol. D'autres sources peuvent également être envisagées comme l'air vicié d'un système de ventilation, ou des capteurs solaires hybrides à air. L'utilisation de ces sources peut permettre à la pompe à chaleur de fonctionner à des températures plus favorables, permettant de réduire sa consommation, d'améliorer ses performances saisonnières, et de fournir une chaleur à plus haute température mieux adaptée aux besoins plus élevés des bâtiments existants. Une approche globale par modélisation est utilisée dans le cadre de cette thèse afin d'apporter des éléments de réponse aux possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique. Ce rapport présente en détail l'ensemble des modèles utilisés, concernant les sources utilisables et les pompes à chaleur. Différentes configurations de couplage sont ensuite étudiées sur une maison type, et pour différents climats.

L'écotone forêt-toundra (EFT) est un environnement où la forêt boréale amorce une transition vers la toundra arctique. Longue de 13 400 km, cette interface forme probablement la plus grande zone de transition sur Terre et couvre de grandes parties du nord de l'Eurasie et de l'Amérique du Nord. Sa taille en fait d'ailleurs un facteur d'importance grandissante avec le réchauffement global du climat sur Terre. En effet, les propriétés fort différentes de la forêt et de la toundra se font sentir sur le bilan énergétique de surface, qui décrit les échanges d'énergie et de masse à l'interface sol-atmosphère. En somme, ce bilan reflète la répartition du rayonnement net en flux de chaleur sensible et latente, ainsi qu'en flux de chaleur dans le sol. Jusqu'à présent, ce bilan a été peu étudié dans l'EFT, bien que son rôle crucial de couplage entre l'atmosphère et le sol soit essentiel pour le régime thermique et hydrologique de la surface terrestre. L'objectif de cette étude est d'analyser le bilan d'énergie de surface d'un site du Bas-Arctique dans l'EFT, sur la côte est de la baie d'Hudson à l'est du Canada, en été et en hiver. Pour ce faire, nous utilisons les données recueillies par une tour micrométéorologique utilisant l'approche de la covariance des tourbillons. Le site choisi est la vallée Tasiapik, d'une longueur de 4.5 km, où les parties hautes de la vallée sont couvertes par une toundra arbustive qui se transforme en forêt boréale vers les parties basses de la vallée. De plus, nous comparons les observations recueillies avec des simulations produites à l'aide des modèles de surface ISBA et SVS pour l'été et du modèle de neige Crocus en hiver. La comparaison avec ces modèles de surface est particulièrement importante comme ils sont utilisés avec des modèles atmosphériques pour générer des prévisions météorologiques et des projections climatiques. En été, nous avons constaté que 23% du rayonnement net était converti en flux de chaleur latente sur notre site, 35% en flux de chaleur sensible et environ 15% en flux de chaleur du sol. Ces résultats contrastent avec ceux de six sites FLUXNET répartis dans l'Arctique, où la majeure partie du rayonnement net sert à alimenter le flux de chaleur latente, et ce, même s'ils ont tous une précipitation annuelle bien inférieure à celle du site étudié. Nous attribuons ce comportement à la conductivité hydraulique élevée du sol (présence de sédiments littoraux et intertidaux), typique de ce que l'on trouve dans les régions côtières de l'est de l'Arctique canadien. Les modèles de surface terrestre ISBA et SVS surestiment la teneur en eau de surface de ces sols, mais parviennent à simuler avec précision les flux de chaleur turbulents, notamment le flux de chaleur sensible et, dans une moindre mesure, le flux de chaleur latente. En hiver, la couverture neigeuse modifie complètement le bilan énergétique de surface. Les pertes par rayonnement infrarouge sont en grande partie compensées par le flux de chaleur sensible, tandis que le flux de chaleur latente est minime. À la surface du couvert, le flux de chaleur dans la neige est similaire en amplitude au flux de chaleur sensible. Comme la couverture neigeuse stocke très peu de chaleur, l'amplitude du flux de chaleur dans la neige est comparable au flux de chaleur dans le sol. Dans l'ensemble, Crocus est en mesure de reproduire le bilan énergétique observé, mais démontre quelques défaillances lors de la simulation des flux de chaleur turbulents à un pas de temps horaire en conditions atmosphériques stables. Comme les deux types de couvert végétal dans l'EFT, la toundra et la forêt, ont un effet contrasté sur la couverture neigeuse au sol, nous avons analysé les propriétés du manteau neigeux à chacun des deux environnements. Nous avons à nouveau eu recours au modèle de neige Crocus pour simuler les propriétés de la neige sur les deux sites. D'abord, nos observations montrent que la hauteur et la densité de la neige diffèrent considérablement d'un site à l'autre. Sur le site forestier, la neige est environ deux fois plus épaisse qu'au site de toundra, et la densité diminue du sol vers la surface de la neige, alors que le contraire est observé sur le site de toundra. Crocus n'est pas en mesure de reproduire ces profils de densité dans sa configuration standard. En ajustant le paramétrage de la densité de la neige fraîche, de la compaction en présence de végétation et la neige soufflée, nous arrivons à simuler des profils comparables aux observations. Nous émettons l'hypothèse que le transport de la vapeur d'eau est le mécanisme dominant qui façonne le profil de densité sur le site de la toundra, alors qu'une combinaison de la compaction due au poids des couches superficielles et du transport de la vapeur d'eau est responsable du profil de densité sur le site forestier. Ce processus n'est pas inclus dans Crocus et les ajustements compensent partiellement ce fait et sont, dans une certaine mesure, spécifiques au site, ce qui complique l'application à plus grande échelle des modifications mises en œuvre ici. / The forest-tundra ecotone (FTE) is an environment where the boreal forest begins a transition to the arctic tundra. With an extent of about 13,400 km, this interface is probably the largest transition zone on Earth and covers large parts of northern Eurasia and North America. Its size makes it a factor of increasing importance for the Earth's climate with global warming. Indeed, the very different properties of forest and tundra are reflected in the surface energy balance, which describes the energy and mass exchanges at the soil-atmosphere interface. In short, this balance reflects the distribution of net radiation into sensible and latent heat fluxes, as well as heat fluxes into the soil. To date, this balance has been little studied in the FTE, despite its crucial role in coupling the atmosphere and the soil which is essential for the thermal and hydrological regime of the land surface. The objective of this study is to analyze the surface energy balance at a Low-Arctic site in the FTE, on the east coast of Hudson Bay in eastern Canada, in summer and winter. To do so, we use data collected by a micrometeorological tower using the eddy covariance approach. The study site is the Tasiapik valley, 4.5 km long, where the upper parts of the valley are covered by shrub tundra that transforms into a boreal forest towards the lower parts of the valley. In addition, we compare the collected observations with simulations produced using the ISBA and SVS surface models in summer and the Crocus snow model in winter. The comparison with surface models is particularly important as they are used with atmospheric models to generate weather forecasts and climate projections. In summer, we found that 23% of the net radiation was converted to latent heat flux at our site, 35% to sensible heat flux, and about 15% to ground heat flux. This contrasts with six FLUXNET sites across the Arctic, where most of the net radiation is used to drive the latent heat flux, even though they all have much lower annual precipitation than our study site. We attribute this behavior to the high hydraulic conductivity of the soil (presence of littoral and intertidal sediments), typical of the coastal regions of the eastern Canadian Arctic. The ISBA and SVS land surface models overestimate the surface water content of these soils, but are able to accurately simulate turbulent heat fluxes, including sensible heat flux and, to a lesser extent, latent heat flux. In winter, the snow cover completely changes the surface energy balance. Energy losses due to longwave radiation are largely offset by the sensible heat flux, while the latent heat flux is minimal. At the surface of the snow cover, the heat flux in the snow is similar in magnitude to the sensible heat flux. As the snow cover stores very little heat, the magnitude of the heat flux in the snow is comparable to the heat flux in the ground. Overall, Crocus is able to reproduce the observed energy balance, but shows some shortcomings when simulating turbulent heat fluxes at an hourly time step under stable atmospheric conditions. Since the two vegetation types in the FTE, tundra and forest, have a contrasting effect on the snow cover on the ground, we analyzed the snowpack properties at each of the two environments. Again, we used the Crocus snow model to simulate snow properties at both sites. First, our observations show that snow height and density differ significantly between the two sites. At the forest site, the snow is about twice as thick as at the tundra site, and the density decreases from the ground to the snow surface, while the opposite is observed at the tundra site. Crocus is not able to reproduce these density profiles in its standard configuration. By adjusting the density settings for fresh snow, compaction in the presence of vegetation and blown snow, we are able to simulate profiles comparable to the observations. We hypothesize that water vapor transport is the dominant mechanism shaping the density profile at the tundra site, while a combination of compaction due to the overburden weight and water vapor transport is responsible for the density profile at the forest site. This process is not included in Crocus and the adjustments partially compensate for this and are to some extent site-specific, making it difficult to apply the modifications implemented here on a larger scale.

Le schéma de surface canadien (version 3.5) a été testé sous un sol agricole avec des observations provenant d’une station météorologique située dans un champ de pommes de terre. Les observations couvrent une saison complète en 2007, et la période de tubérisation du plant pour l’année 2010. Les performances du modèle sur les composantes des bilans énergétique et hydrique ont pu être évaluées. Sur les deux saisons à l’étude, le modèle a surestimé les flux latents et produit un flux de chaleur dans le sol de trop grande amplitude, comparativement à celui observé. L’évapotranspiration et le drainage produits par CLASS ont par la suite été comparés à ceux simulés par le modèle d’écoulement vertical BV3C, un sous-modèle du modèle hydrologique HYDROTEL. BV3C a semblé produire une évapotranspiration surestimée dont la dynamique ne suit pas celle observée. Finalement, une simulation dont les intrants météo ont été remplacés par le produit régional du modèle global multi-échelle, pour la même localisation, a été testée. Les composantes des bilans énergétique et hydrique simulés par CLASS et ISBA, un autre schéma de surface utilisé au Canada, ont pu être comparés. Lors de ce test, ISBA a montré un plus grand ruissellement que CLASS, ainsi que de faibles quantités d’eau drainée, en désaccord avec les observations disponibles. / The performance of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) was assessed using meteorological observations from stations located in a potato field during a whole season in 2007, and from tuber initiation to tuber bulking in 2010. The scheme’s performance has been evaluated for both the energetic and hydric balance. Over the two seasons, CLASS overestimated the latent flux and generated a ground heat flux of higher amplitude compared to the observed one. The evapotranspiration and the drainage generated by CLASS were then compared to those of BV3C, a submodel of the hydrological model HYDROTEL. BVC3 seemed to have produced an overestimated evapotranspiration, which the dynamics did not match with those of the observed one. Finally, both CLASS and ISBA, an other land surface scheme in use in Canada, were run with data derived from the regional product of the global environmental multiscale model, for the same location. During this test, ISBA showed a higher flow than CLASS. ISBA also showed little quantity of drained water in disagreement with the available observations.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette étude a pour but de comparer et d'évaluer les bilans hydrique et énergétique de surface des versions opérationnelle et en développement du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) avec les ré-analyses atmosphériques et les observations de surface disponibles. Les versions opérationnelle et en développement du MRCC se distinguent par l'emploi du module de paramétrage des processus physiques du Modèle de Circulation Générale Canadien (MCGC) de deuxième et troisième génération respectivement, développé par le Centre Canadien de modélisation et de l'analyse Climatique (CCmaC). Parmi les améliorations apportées à la physique du MCGC III, soulignons l'implantation d'un nouveau schéma de surface appelé CLASS (Canadian LAnd Surface Scheme), un modèle à trois couches de sol avec traitement explicite des couverts végétal et nival; il remplace le modèle hydrologique Beautified Bucket et le régime thermique de force de rappel à une couche de sol utilisés dans la version opérationnelle du MRCC. Les simulations sont issues de la phase 1c du projet PIRCS couvrant l'ensemble des États-Unis entre 1987 et 1994. L'analyse est réalisée sur les bassins-versants des fleuves Mississippi et Columbia. Certains flux de surface et champs diagnostics d'intérêts sont comparés avec les ré-analyses du NCEP/NCAR sur 50 ans et du ECMWF sur 40 ans. Les taux de précipitation, la température à l'abri et l'écart diurne de température à l'abri sont également comparés avec des climatologies d'observations. Les estimés mensuels de ruissellement sur les deux bassins-versants proviennent de mesures de débits fluviaux et d'aires de drainage avec quelques modifications. Enfin, des analyses de la profondeur de neige et des flux radiatifs de surface sont également utilisées. Les résultats montrent que la version en développement du MRCC tend à simuler une meilleure climatologie que la version opérationnelle, particulièrement en ce qui concerne l'évapotranspiration, l'écart diurne de température à l'abri et la précipitation estivale. Cependant, un biais froid persistant de température à l'abri sur les deux bassins est associé à un couvert de neige excessif suivi d'une importante crête de ruissellement au printemps. De par sa construction et contrairement au schéma CLASS, le modèle hydrologique Beautified Bucket favorise la glace dans le sol au dépend de la couverture de neige. Des suggestions de modifications simples pour chacune des versions du MRCC sont également proposées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Bilan hydrique de surface, Bilan énergétique de surface, MRCC opérationnel, MRCC en développement, Bassin-versant du Mississippi, Bassin-versant du Columbia.

L'objectif de la thèse est d'étudier la valorisation des chars de biomasse. Dans ce contexte de transition énergétique, les biomasses sélectionnées sont les écales de sarrasin et de millet, assez pu étudiées jusqu'à maintenant, produites localement pour contribuer au développement de l'économie circulaire et qui ne compromettent pas une filière de valorisation connue. Dans ce travail, la valorisation matière est abordée à travers la réutilisation de ces résidus dans des procédés d'épuration catalytique de syngaz ou dépuration de biogaz pour lesquels les polluants sont respectivement les goudrons et le sulfure d'hydrogène. Des bilans énergétiques relatifs à la production de ces chars ont été établis et des indicateurs d'efficacité énergétiques ont été calculés. Pour ce faire, les chars ont été produits à 500 °C puis caractérisés par des analyses chimiques et physiques. Afin de leur conférer de meilleures propriétés poreuses nécessaires pour les applications d'épuration de gaz en lit fixe, des activations ont été réalisées à 850 °C avec du CO₂ ou de la vapeur d'eau. Les écales de sarrasin se révèlent être une biomasse assez classique et la particularité des écales de millet est de présenter des taux élevés en silicium. Si les chars de pyrolyse ont montré une efficacité faible dans l'épuration des gaz, l'activation leur ouvre de nouvelles potentialités, notamment pour les écales de sarrasin qui s'apparentent alors à des charbons actifs. Les chars des écales de sarrasin démontrent leur intérêt lorsqu'ils sont activés à la vapeur d'eau pour la purification du syngaz et ils conservent leur pouvoir calorifique (PCI) que permet d'envisager une valorisation énergétique par gazéification. Ces résultats montrent également qu'en fonction de la nature de la biomasse et du type d'activation, les objectifs de valorisation matière et énergie sont parfois incompatibles. / The aim of the thesis is to study the valorization of chars prepared from biomass wastes. In this context of energy transition, the selected biomasses are the buckwheat and millet husks since they are barely studied until now. In addition these wastes are produced locally, contribute to the developement of the circular economy and to not compromise a known value chain. In this word, material recovery is approcached through the reuse of these residues in syngaz and biogas cleaning processus in order to remove key pollutants such as tars and hydrogen sulfide, respectively. Energy balances form the prodution fo these chars have been established and energy efficiency indicators have been calculated. The chars were produced at 500 °C and then characterized by chemical and physical analysis. In order to provide them porous properties necessary for fixed-bed gas cleaning applications, activations were carried out at 850 °C with CO₂ or steam. Buckwheat husks turn out to be a fairly conventional biomass and the particularity of millet husks is to have high levels of silicon. If pyrolysis chars have shown a low efficiency in the purification of gases, activation opens up new potential for them, especially for materials from buckwheat husks, which are similar to activated carbons. When activated with steam these chars show interesting efficiency for the purification of syngas and they conserve their calorific value (LHV) which makes it possible to consider an energy recovery through gasification. Results from this study also show that depending on the nature of biomass and type of activation, the material valorization and energy recovery are sometimes incompatible.

Les matériaux absorbants ont une efficacité très faible aux basses fréquences (<500Hz). Les mousses dites adaptatives ont été développées pour combler ce manque d'efficacité. Une mousse adaptative est la réunion d'un matériau absorbant et d'un actionneur commandé par un système de contrôle actif. L'objectif de cette thèse est de mener une étude numérique et expérimentale approfondie du concept de mousse adaptative et d'en dégager les mécanismes physiques et les limitations technologiques pour le contrôle de l'absorption acoustique. Le matériau absorbant est ici une mousse de mélamine et l'actionneur est un film piézoélectrique de PVDF. Le contrôle actif de l'absorption acoustique est réalisé en incidence normale avec l'hypothèse d'onde plane sur la plage de fréquence [0-1500Hz]. Les résultats font apparaître la possibilité d'absorber une pression incidente de 1Pa à 100Hz avec 100V et un bruit large bande de 94dB avec une centaine de Vrms à partir de 250Hz. Ces résultats ont été obtenus avec un prototype de mousse adaptative ayant une épaisseur moyenne de 4cm. Un frein important au contrôle large bande provient du fort niveau de distorsion des prototypes dans le bas (<500Hz) et le haut (<1500Hz) du spectre de fréquences. Un modèle éléments finis 3D couplant les domaines poroélastiques, acoustiques, élastiques et piézoélectriques a été proposé et validé expérimentalement. L'utilisation de ce modèle, complété par une étude analytique, a permis de mettre en lumière le mode d'action et les mécanismes de dissipation dans la mousse adaptative.