Ce mémoire s'organise autour de deux cadres d'étude : d'une part, celui des espaces symétriques riemanniens non compacts X = G/K, pour lesquels nous prouvons un encadrement optimal et global en les variables d'espace et de temps, du noyau de la chaleur associé à l'opérateur de Laplace-Beltrami L ; d'autre part, dans le cas d'un groupe de Lie semi-simple G, nous montrons que tous les sous-laplaciens sur G qui induisent l'action de L sur X = G/K présentent des analogies avec L vis-à-vis de l'équation de la chaleur : le bas de leur spectre L^2 est le même, les distances de Carnot-Carathéodory associées sont comparables à la métrique riemannienne sur X et, surtout, les noyaux de la chaleur sont tous comparables (en temps grand) au noyau de la chaleur sur X. Nous en déduisons en particulier des encadrements très précis des noyaux de la chaleur dans ce cadre, ainsi que des fonctions de Green correspondantes.

L'étude consiste à décrire les phénomènes thermiques et aérauliques dans le bâtiment à l'aide d'un outil simplifié : la méthode zonale. Il s'agit d'une méthode tridimensionnelle basée sur le partitionnement en un petit nombre de sous-volumes, intermédiaire entre les modèles à un noeud et les maillages fins. On écrit des bilans de masse et d'énergie dans chaque sous-volume tandis que les échanges dans les interfaces sont déterminés par des lois reliant les débits aux différences de pression. L'aspect modulaire de la méthode facilite son implémentation dans un environnement orienté objet et le logiciel SPARK, adapté à la résolution de gros systèmes d'équations non-linéaires est utilisé à cet effet. Les résultats sont validés par rapport à différentes références expérimentales et numériques. Une étude paramétrique détermine les coefficients empiriques judicieux ainsi que les caractéristiques d'un maillage optimal. Un autre atout d'un environnement objet réside dans les possibilités de couplage. On traitera successivement l'exemple d'un modèle de description du confort, celui des transferts par conduction en tenant compte des effets tridimensionnels ainsi qu'un modèle de transferts de masse. La simulation des effets d'une source de chaleur donne des résultats conformes aux constatations expérimentales dans l'ensemble du volume. Enfin, le cas de la convection mixte est traité en prenant en compte la conservation de l'énergie cinétique dans l'écoulement ; les résultats correspondent à ceux obtenus avec un modèle de champ.

Dans cette thèse, j'ai étudié le noyau et le semi-groupe de la chaleur ainsi que les inégalités fonctionnelles associées sur trois espaces modèles de la géométrie sous-elliptique. Cette étude a en fait pour principal objectif de développer et tester de nouvelles techniques et méthodes que l'on espère ensuite pouvoir étendre en géométrie sous-elliptique. Le but avoué est de comprendre en géométrie sous-elliptique une notion de courbure de Ricci minorée par une constante. Ici, les trois espaces modèles sont des groupes de Lie de dimension 3: le groupe de Heisenberg, le groupe SU(2) et le groupe SL(2,R), que l'on munit d'un sous-laplacien: un opérateur différentiel du second ordre invariant à gauche essentiellement auto-adjoint pour la mesure de Haar du groupe qui n'est pas elliptique mais hypoelliptique d'après des résultats de Hörmander. Mes résultats portent tout d'abord sur l'obtention de formules explicites pour les noyaux de la chaleur associés. J'ai ensuite introduit un critère de courbure-dimension de Bakry-Emery généralisé qui, sous certaines conditions d'antisymétrie vérifiées sur nos espaces modèles, permet l'obtention d'estimées du type de Li-Yau. Je me suis enfin intéressé à l'établissement et l'étude d'inégalités de sous-commutation entre le gradient et le semi-groupe de la chaleur. J'ai notamment donné deux nouvelles démonstrations de l'inégalité de H.Q.Li sur le groupe de Heisenberg.

Après une dernière phase de forage et de stimulation hydraulique, le site expérimental de Soultz-sous-Forêts comporte désormais trois puits connectés à un réservoir géothermique profond (5 km). A l'avenir, du fait de la mise en place d'une unité de production électrique, seule la modélisation numérique renseignera sur l'état du réservoir. Une compréhension poussée des propriétés géométriques de ce dernier est donc incontournable. C'est ce que propose ce travail, notamment en étudiant la prise en compte de la zone endommagée dans les modèles de faille.<br />Au cours de cette étude, les propriétés physiques de la zone endommagée (porosité, perméabilité, surface spécifique, conductivité thermique) ont été mesurées à différentes échelles et sur des échantillons présentant des structures et des faciès d'altération variés. La combinaison de ces mesures, et leur intégration dans différents modèles numériques, a notamment permis de mettre en évidence l'impact de la zone endommagée sur les transferts de chaleur et de matière, ainsi qu'une évolution particulière de la géométrie du réseau poreux avec l'altération.

La Centrale de traitement d'Air par Dessiccation (CAD) offre un contrôle complet de la température et de l'humidité dans les locaux climatisés. Son élément clé est la roue dessicante qui permet la dessiccation de l'air et une régénération continue. A travers cette étude, nous nous intéressons au développement d'une méthodologie pour obtenir un modèle dynamique de la roue utilisable dans les algorithmes de contrôle avancés de la CAD. La roue dessicante peut être considérée comme un système de type multi-entrées/multi-sorties (MIMO). La seconde partie de ce mémoire concerne l'identification expérimentale des paramètres des modèles d'état de la roue dessicante pour deux types de modèles : boîte noire et boîte grise. Dans le cas de la boîte noire, tous les paramètres du modèle sont identifiés expérimentalement. Dans le cas de la boîte grise, certains paramètres sont dérivés de considérations physiques et les paramètres restants sont identifiés en utilisant les mesures expérimentales des entrées et des sorties. Les paramètres du modèle boîte grise ont une signification physique. En comparaison avec les modèles boîte noire, les modèles boîte grises sont moins précis sur le domaine sur lequel les paramètres ont été identifiés, mais beaucoup plus précis en dehors de ce domaine. Comme les paramètres ont une signification physique, leurs valeurs ne varient pas de manière significative avec le point de fonctionnement utilisé pour l'identification. Dans l'approche boîte grise, les valeurs des paramètres obtenues pour les modèles linéaires sont presque identiques pour tous les modèles locaux du coté dessiccation et pour tous les modèles locaux du coté régénération ; cela nous a permis de considérer qu'un modèle local est valable pour tout le domaine de variation des variables d'entrée. Le modèle final de la roue dessicante se compose de deux modèles globaux : un pour le côté de la dessiccation et l'autre pour le côté de la régénération. La troisième partie de ce travail consiste dans l'identification des coefficients de transfert de masse et de chaleur au sein de la roue dessicante en utilisant un modèle boîte grise. Le coefficient de transfert de masse, le coefficient de transfert convectif et le nombre de Nusselt ont été obtenus en écrivant les paramètres du modèle d'état en fonction d'une seule variable et en exprimant les paramètres en fonction des caractéristiques géométriques et des propriétés de matériaux de la roue. Ce travail contribue au développement d'un modèle d'état utilisable pour la synthèse des algorithmes de contrôle pour la roue dessicante.

Le contexte énergétique global impose, durablement aux industriels la poursuite des efforts en matière d'efficacité énergétique nécessitant le déploiement de nouveaux procédés innovants éco-efficaces. Une meilleure gestion de l'énergie permet l'amélioration de l'efficacité énergétique globale des procédés ainsi que la réduction des émissions de CO2. Dans ces conditions, la récupération et la valorisation de la chaleur perdue apparait comme un potentiel pour atteindre ces objectifs. L'intégration d'une pompe à chaleur à haute température permet une valorisation de pertes calorifiques en satisfaisant des besoins de chauffage à haute température (>130°C) qui apparaissent simultanément dans certains procédés (distillation, séchage...). Malheureusement, les pompes à chaleur répondant à ces besoins industriels sont indisponibles actuellement. C'est dans ce contexte que s'inscrit la présente étude qui a permis le développement et la mise en place d'une pompe à chaleur à haute température utilisant l'eau comme fluide frigorigène. Les verrous techniques et technologiques limitant la faisabilité d'une telle machine ont été levés en concevant une nouvelle architecture de PAC et en développant deux types de compresseur : un compresseur bi-vis adapté et un compresseur centrifuge bi-étagé à paliers magnétiques. La mise en place de cette PAC munie du compresseur bi-vis est présentée. Un modèle dynamique de cette pompe à chaleur est développé avec Modelica en tenant compte de la présence de gaz incondensables dans la machine. Des modèles détaillés des compresseurs sont développés en fonction de leurs caractéristiques géométriques. Une étude expérimentale de la phase de démarrage est présentée montrant le processus de purge des incondensables et l'évolution de certains paramètres de la pompe à chaleur. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à des simulations numériques. Plusieurs modes de fonctionnement de la machine de récupération des pertes calorifiques sont simulés numériquement et analysés énergétiquement ainsi qu'exergétiquement. Le modèle de pompe à chaleur a enfin été intégré à un modèle de colonne à distiller montrant les économies d'énergie globales et les avantages environnementaux obtenus.

L’évolution croissante du prix des carburants ainsi que les normes antipollution de plus en plus drastiques obligent les fabricants de véhicules commerciaux à développer des solutions innovantes pour réduire la consommation de carburant. Dans cet objectif, comme une grande partie de l’énergie contenue dans le carburant est directement relâchée à l’ambient sous forme de chaleur, celle-ci peut être valorisée et transformée via un cycle thermodynamique secondaire. Dans ce cadre, l’importante utilisation du cycle de Rankine à travers le monde en font un candidat naturel pour une implémentation dans un véhicule. Mais contrairement à une utilisation stationnaire, de nombreux obstacles se dressent pour une intégration totale dans un poids lourd. De nombreuses études ont été menées ces trente dernières années afin de déterminer le potentiel réel d’un tel système une fois embarqué à bord d’un véhicule. Les nombreuses sources de chaleur valorisables, les contraintes inhérentes à l’application embarquée ou encore les forts régimes transitoires induits par l’utilisation du camion doivent mener à une optimisation à la fois de l’architecture du système ainsi que de son système de contrôle. L’optimisation du système mène à un choix en terme de sources chaudes et froides, de topologie, de fluide de travail ainsi que de dimensionnement des composants afin de maximiser les performances. Le système de contrôle joue lui un rôle primordial afin de tirer un bénéfice maximum d’un tel système connaissant ses limites physiques ainsi que d’assurer une utilisation efficace. Dans cette thèse, une méthodologie de conception d’un système de valorisation des rejets thermiques est proposée. En se basant sur des simulations du véhicule complet basées sur un modèle détaillé, les thématiques de la sélection du fluide de travail, des sources chaudes et froides ainsi que l’optimisation des composants et du cycle sont approchées. Par la suite, le problème de contrôle en ligne de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est formalisé. En tenant compte des contraintes numériques d’implémentation, différentes stratégies de commande sont mises en place, allant du contrôleur PID à des structures plus avancées telle que la commande prédictive par modèle ou une loi de commande basée sur un observateur. La plupart de ces stratégies sont validées expérimentalement sur un banc d’essai mis en place durant la thèse / The constant evolution of oil prices and the more and more stringent automotive emission standards force the original engine manufacturers to search for innovative solutions in order to reduce oil consumption. As an important part of the energy contained in the primary carrier (the fuel) is lost to the ambient through heat, it seems convenient to recover a part of this thermal energy and to turn it into fuel consumption reduction. Thermodynamic bottoming cycle such as the Rankine cycle could be used to meet this objective. Its popular use throughout the world for electricity generation makes it a natural candidate for on-board implementation in vehicles. However, a certain number of hurdles are still present before the system can be efficiently applied to heavy-duty trucks. In the last thirty years, numerous studies heave been carried out to evaluate the real potential of that kind of system on a vehicle but nothing has yet been commercialized. The heat sources to recover from, the constraints relative to the on-board application and the long and frequent transient behavior of the vehicle mean both the system architecture and its control strategy need to be optimized. The system optimization leads to a choice in terms of working fluid, heat sources and sinks, and components sizing in order to maximize power recovery and hence the fuel saving. The control plays a major role by using the capability of such a system to ensure an efficient and safe operation and limiting the interactions with the other vehicle sub-systems. In this thesis, a system design methodology is introduced to optimize the system architecture using complete model-based vehicle simulation. The constraints relative to the mobile application are taken into consideration to evaluate the potential of such a system. Modelbased control strategies for on controlled variable, namely the superheat level, are developed. Constrained by the implementation platform, different control frameworks ranging from PID to model predictive controllers or observer based controllers are developed to fit into a normal automotive electronic control unit. Most of these novel strategies were experimentally validated on a test rig developed during the thesis

Le développement et l’utilisation de nouveaux matériaux, tel que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), a permis un accroissement sensible des densités d’énergie traitées par les nouveaux composants de l’électronique de puissance, assortie d’une augmentation de leur compacité. Parallèlement à ces progrès technologiques, la généralisation de l’électricité en tant que vecteur d’énergie primaire au sein de systèmes de plus en plus répartis, incluant des moyens de traitement de l’information au plus près de la fonction réalisée, ouvre la voie à une nouvelle génération de systèmes mécatroniques hautement intégrés. Or, l’émergence de ces nouvelles fonctions soulève une question critique liée au mode de refroidissement de ces éléments. Cette question est intimement couplée aux aspects énergétiques et à leur impact environnemental, imposant une amélioration significative des rendements énergétiques mesurés à l’échelle de la fonction complète. C’est dans ce contexte que l’étude présentée traite tout d’abord de systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dissipée au sein de systèmes électroniques de puissance en vue d’alimenter de manière autonome des capteurs, où autres systèmes fonctionnels, via l’énergie « ambiante » ainsi récupérée. Parmi les consommateurs plus particulièrement ciblés, des fonctions innovantes d’intensification par voie électromécanique des échanges de chaleurs au sein d’échangeurs thermique sont étudiées et mises en œuvre. A terme, l’idée serait ainsi d’alimenter les systèmes d’actionnement assurant l’optimisation des échanges de chaleur au sein du système de refroidissement d’une carte électronique au moyen même de la chaleur qu’elle dissipe, récupérée sous forme d’énergie électrique. A cette fin, les différents procédés de conversion de la chaleur en électricité sont examinés, modélisés et mis en œuvre dans la suite de ce travail. Deux types de conversion d’énergie complémentaires sont tour à tour considérés : La conversion par effet thermoélectrique, utilisant l’effet Seebeck qui a lieu en présence d’un gradient de température et l’effet pyroélectrique qui apparait en présence de variation temporelle de la température. Ces deux phénomènes sont analysés et décrits à l’aide de modélisations physiques et comportementales, incluant une approche expérimentale ayant nécessité la mise en place de bancs d’essai spécifiques. L’électricité récupérée par conversion pyroélectrique est par la suite mise en forme grâce à des systèmes de redressement à faible tension de seuil spécialement développés. La faisabilité de systèmes d’alimentation autonomes de capteurs déportés, où de systèmes d’émission (ponctuelle) de mesure, est alors concrètement démontrée en se basant sur les résultats obtenus. Ouvrant la voie à un concept de refroidissement actif des puces électroniques, tirant directement parti de la chaleur dissipée pour son alimentation grâce aux deux procédés préalablement étudiés, la problématique de l’intensification des transferts de chaleur au sein de boucles de refroidissement mécaniquement activées est abordée dans la dernière partie du mémoire. Cette activation est réalisée à l’aide d’un système d’actionnement multicellulaire réparti à base d’actionneurs piézoélectriques. Développée en étroite collaboration avec des équipes de thermodynamiciens, l’idée est de réaliser un pompage de fluide ainsi qu’une modification des échanges de chaleur au sein d’un système de transfert de chaleur en activant les parois de l’échangeur de chaleur par déformation. Le système d’actionnement préconisé est tout d’abord étudié et simulé par un calcul par éléments finis. Un prototype est construit et caractérisé sous conditions réelles dans un deuxième temps. [...] / The development and use of new materials, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) has a significant increase in energy densities handled by the new components of power electronics, accompanied by an increase in compactness. Parallel to these technological advances, the widespread use of electricity as a primary energy carrier within systems increasingly distributed, including means for processing information closer to the function carried out, paving the way a new generation of highly integrated mechatronic systems. However, the emergence of these new features raises a critical question related to cooling mode thereof. This question is closely coupled to the energy aspects and their environmental impact, imposing a significant improvement in measured across the full energy function returns. It is in this context that the present study deals firstly recovery systems waste heat dissipated in power electronic systems for autonomous power sensors, where other functional systems via energy "room" and recovered. Particularly among targeted consumers, innovative features intensification electromechanically exchanges heat in heat exchangers are studied and implemented. Eventually, the idea would be to supply the operating systems for the optimization of heat exchange in the cooling system of an electronic card in the same way that heat dissipates, recovered in the form of electrical energy. To this end, various methods of conversion of heat into electricity are considered, modeled and implemented in the course of this work. Two complementary types of energy conversion are considered in turn : The thermoelectric conversion effect by using the Seebeck effect which takes place in the presence of a temperature gradient and the pyroelectric effect that appears in the presence of temporal variation of the temperature. These two phenomena are analyzed and described using physical and behavioral models, including an experimental approach requiring the establishment of specific test benches. The electricity recovered by pyroelectric conversion is then formatted with recovery systems, low voltage specially developed threshold. The feasibility of remote sensors autonomous supply, where emission (point) measuring systems, is then demonstrated concretely based on the results systems. Paving the way to a concept of active cooling computer chips, drawing directly from the heat dissipated for food through two methods previously studied the problem of intensification of heat transfer in cooling loops mechanically activated is discussed in the latter part of the memory. This activation is carried out using a distributed drive system multicellular based piezoelectric actuators. Developed in close collaboration with teams of thermodynamics, the idea is to provide a fluid pump and a change of heat transfer in a heat transfer system by activating the walls of the heat exchanger deformation. The operating system is called first studied and simulated by a finite element calculation. A prototype is built and characterized under actual conditions in a second time. The multicellular actuating system composed of a plurality of actuators and a supply system configurable multipath is then integrated into an exchange of heat testbed specifically developed. This experience is a fundamental first step in the development of electroactive systems, potentially autonomous, allowing the intensification of heat exchange in cooling loops for high-performance power electronics.

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives. / This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.

Le contexte énergétique global impose, durablement aux industriels la poursuite des efforts en matière d’efficacité énergétique nécessitant le déploiement de nouveaux procédés innovants éco-efficaces. Une meilleure gestion de l’énergie permet l’amélioration de l’efficacité énergétique globale des procédés ainsi que la réduction des émissions de CO2. Dans ces conditions, la récupération et la valorisation de la chaleur perdue apparait comme un potentiel pour atteindre ces objectifs. L’intégration d’une pompe à chaleur à haute température permet une valorisation de pertes calorifiques en satisfaisant des besoins de chauffage à haute température (>130°C) qui apparaissent simultanément dans certains procédés (distillation, séchage…). Malheureusement, les pompes à chaleur répondant à ces besoins industriels sont indisponibles actuellement. C’est dans ce contexte que s’inscrit la présente étude qui a permis le développement et la mise en place d’une pompe à chaleur à haute température utilisant l’eau comme fluide frigorigène. Les verrous techniques et technologiques limitant la faisabilité d’une telle machine ont été levés en concevant une nouvelle architecture de PAC et en développant deux types de compresseur : un compresseur bi-vis adapté et un compresseur centrifuge bi-étagé à paliers magnétiques. La mise en place de cette PAC munie du compresseur bi-vis est présentée. Un modèle dynamique de cette pompe à chaleur est développé avec Modelica en tenant compte de la présence de gaz incondensables dans la machine. Des modèles détaillés des compresseurs sont développés en fonction de leurs caractéristiques géométriques. Une étude expérimentale de la phase de démarrage est présentée montrant le processus de purge des incondensables et l'évolution de certains paramètres de la pompe à chaleur. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à des simulations numériques. Plusieurs modes de fonctionnement de la machine de récupération des pertes calorifiques sont simulés numériquement et analysés énergétiquement ainsi qu’exergétiquement. Le modèle de pompe à chaleur a enfin été intégré à un modèle de colonne à distiller montrant les économies d'énergie globales et les avantages environnementaux obtenus. / Currently, improving energy efficiency becomes a main challenge for all industrial energy systems. This challenge involves an improved recovery of wasted heat generated by several industrial processes. Large energy savings and potential environmental benefits are associated with the use of industrial heat pump mainly at high temperature levels (>130°C) unavailable on the market. The development of high temperature heat pump using water vapor as working fluid is investigated. Technical problems restraining the feasibility of this industrial heat pump are surmounted by a specifically designed heat pump, the development of a new twin screw compressor and a new centrifugal compressor with magnetic bearings. A dynamic model of this heat pump is developed using Modelica and taking into account the presence of non-condensable gases in the machine. Detailed models of the compressors are developed based on their geometrical characteristics. Experimental results of the start-up phase have been presented showing the non-condensable purging process and the evolution of some parameters of the heat pump. These experimental results have been confronted to numerical simulations. Several scenarios of industrial processes for high-temperature heat recovery and heat upgrading are numerically simulated and analyzed based on energetic and exergetic studies. The heat pump model has been integrated to a distillation column showing the global energy savings and the environmental benefits of using this developed heat pump.