Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle / This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters

France Télécom possède des armoires de télécommunication dont la puissance est limitée à cause de la dissipation thermique des équipements actifs qui entraîne une augmentation de leur température interne. La puissance des équipements limite le nombre de clients qu'il est possible de connecter aux services des réseaux à hauts débits. En plus de cette contrainte, les armoires sont soumises à des effets liés au climat (ensoleillement) qui peuvent être sévères et difficiles à maîtriser. Ceci nécessite l’intégration de systèmes de refroidissement permettant de maintenir la température des composants en dessous de la limite imposée (55°C). C’est dans cet objectif que ce travail de thèse a été mené au sein du laboratoire FEMTO-ST en collaboration avec le service R&D de France Télécom à Lannion. Le refroidissement par changement de phase est favorisé pour maintenir la température de fonctionnement du système stable et pour être utilisé dans les systèmes à haute densité de puissance. Les boucles diphasiques sont des systèmes de refroidissement pour le contrôle thermique et fonctionnent passivement sans pompage mécanique du fluide caloporteur. Après une étude bibliographique sur les boucles de refroidissement diphasiques et leurs applications, on a constaté que les boucles thermosiphons sont particulièrement adaptées aux applications où le faible coût, l'efficacité énergétique et la fiabilité d’entretien sont souhaités. Cette étude a été conduite en suivant un cahier de charge proposé par France Télécom qui consiste à : (i) développer un modèle numérique permettant de modéliser les transferts échangés entre l’armoire de télécommunication et le milieu ambiant, (ii) mener une étude expérimentale en vue de concevoir une boucle thermosiphon pour le refroidissement d’armoires de télécommunication.Le mémoire de cette thèse montre la limitation des systèmes de refroidissement classiques utilisant des écoulements d’air en convection forcée ou autre fluides sans changement de phase. Un modèle numérique est développé afin de permettre la prédiction des températures à l’entrée des boitiers chauffants pour différentes conditions climatiques. Le choix est porté sur l’utilisation d’une modélisation par réseau nodal. La modélisation est effectuée en tridimensionnel et en régime transitoire. Nous avons également modélisé le rayonnement solaire auquel est soumise l’armoire de télécommunication. Le modèle développé a été validé en effectuant une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et ceux obtenus à partir des expériences menées au laboratoire et à la plateforme CLIMA chez France Télécom. Les essais sont effectués en régime transitoire en imposant une puissance électrique et en faisant varier la température ambiante ou la densité de flux thermique solaire. L’ensemble des résultats obtenus ont permis de constituer une base de données. Le deuxième objectif fixé dans le cadre de ce travail de thèse est la conception d’un système de refroidissement sous forme d’une boucle thermosiphon. La contrainte principale qui a guidée cette conception était le fait que la boucle doit refroidir l’armoire et assurer une température d’air à l’entrée des équipements inférieure à la limite imposée par la norme ETSI. Ceci nous a mené à concevoir un prototype de boucle thermosiphon dont la puissance thermique qu’il doit dissiper est imposée. On a montré que ce prototype permet de dissiper des puissances thermiques allant jusqu’à 470 W en utilisant une petite charge de npentane. Nous avons effectué des essais sur le refroidissement du prototype d’armoire de télécommunication en utilisant la boucle thermosiphon légèrement modifiée. On montre que les performances thermiques obtenues en utilisant un mode de refroidissement en boucle thermosiphon sont meilleures. Les boucles thermosiphons semblent intéressantes pour un refroidissement passif de matériels déployés dans un réseau de télécommunication... / France Telecom owns telecommunication cabinets whose power is limited because of the heat dissipation of active devices which leads to increased internal temperature. Power equipment limits the number of clients that can connect to networks services with high data rates. In addition to this constraint, the cabinets are subject to climate-related impacts (sunlight) that can be severe and difficult to master. This requires the integration of cooling systems to maintain the temperature of components below the limit (55 ° C). It is with this aim that this work was conducted in the laboratory Femto-ST in collaboration with the R & D department of France Telecom in Lannion.Cooling the phase change is promoted to maintain the operating temperature of the stable and system for use in systems with high power density. The loops are two-phase cooling systems for thermal control and operate passively without mechanical pumping of the coolant.After a literature review on two-phase cooling loops and their applications, it was found that the thermosyphon loops are particularly suitable for applications where low cost, energy efficiency and reliability maintenance are desired. This study was conducted by following a set of specifications proposed by France Telecom which involves: (i) develop a numerical model to model transfers exchanged between the cabinet and the telecommunications environment, (ii) conduct an experimental study to design a thermosyphon loop for cooling telecommunication cabinets.The memory of this thesis shows the limitation of conventional cooling systems using air flow forced convection or other fluids without phase change. A numerical model is developed to enable the prediction of temperatures at the inlet of heated enclosures for different climatic conditions. The choice is focused on the use of a nodal network modeling. The modeling is done by three-dimensional and transient. We also modeled the solar radiation, which applies to the telecommunications closet. The developed model was validated by comparison between the results of modeling and those obtained from experiments in the laboratory and platform CLIMA at France Telecom. The tests are performed by imposing transient electrical power and varying the temperature or heat flux density solar. All the results obtained allowed to establish a database.The second goal as part of this thesis is the design of a cooling system as a thermosyphon loop. The main constraint has guided this design was that the loop needs to cool the cabinet and provide air temperature at the inlet of the equipment below the limit imposed by the ETSI. This led us to design a prototype of thermosyphon loop with a heat output that must be dissipated is imposed. We showed that this prototype is used to dissipate the heat ratings up to 470 W using a small load of npentane.We conducted tests on the prototype cooling telecommunication cabinet using slightly modified thermosyphon loop. We show that the thermal performance obtained by using a cooling mode loop thermosyphon are better. Thermosyphon loops seem interesting for passive cooling of equipment deployed in a telecommunications network. Indeed, being able to use an air conditioning system independent and requires no energy should be promoted in a reduction of overall energy consumption.

Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement. / This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost.

La thèse est une contribution expérimentale et théorique à la modélisation d'écoulements de bruts pétroliers produits par dépressurisation du réservoir. Il s'agit de produire l'huile en dessous du point de bulle et de profiter de l'expansion de la phase gaz pour déplacer l'huile (procédé appelé "Solution Gas Drive"). Jusqu'à présent les simulateurs de réservoir permettaient la simulation d'un tel mécanisme pour les huiles légères. Un problème se pose avec les huiles lourdes dont la forte viscosité et la physico-chimie intensifient l'état hors d'équilibre dû au mécanisme de changement de phase. Les simulateurs numériques classiques ne prennent pas en compte ce type de mécanisme hors équilibre, ni l'écoulement du gaz sous forme dispersée. Bien qu'un grand nombre de travaux aient déjà été réalisés essentiellement à l'échelle des pores, l'étude bibliographique montre qu'il est nécessaire d'avoir un modèle décrit par des équations continues (approche de Darcy). L'étude expérimentale des propriétés physico-chimiques (tension dynamique, élasticité de surface) des principaux constituants des bruts montre que les asphaltènes ont un effet tensioactif favorisant la formation de mousse au dessus d'une concentration seuil. Enfin, l'étude théorique des différents processus physiques permet d'établir un modèle d'écoulement continu, ne faisant intervenir que des grandeurs macroscopiques mesurables. La nucléation et le transfert de masse sont modélisés par une fonction volumique de transfert, la nucléation étant basée sur le modèle de bulles préexistantes. Deux phases gaz peuvent coexister : l'une continue à l'échelle du milieu, l'autre dispersée dans l'huile sous forme de bulles. Les simulations de plusieurs expériences, réalisées avec des roches et des fluides différents, montrent que le modèle permet d'interpréter et de prédire les productions de gaz et d'huile.

En France, à partir de 2012, tous les bâtiments neufs devront répondre aux critères de basse consommation, c'est-à-dire qu'ils devront consommer moins de 50 kW.h/(m².an) en énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage (à moduler selon la région et l'altitude). La simulation numérique a un rôle important à jouer pour atteindre cet objectif.<br />Les environnements de simulation énergétique existants ont été conçus pour des bâtiments classiques pour lesquels les consommations sont beaucoup plus importantes que celles fixées pour 2012, il faut donc voir si les modèles mais aussi les méthodes de simulations utilisés correspondent toujours aux spécificités de ces nouveaux bâtiments. L'objectif de ce travail est de montrer l'intérêt d'utiliser un environnement de simulation basé sur les systèmes d'équations pour étudier le comportement énergétique des bâtiments basse consommation. <br />Pour cela, plusieurs modèles ont été implémentés dans l'environnement SIMSPARK. Il s'agit d'un modèle de matériau à changement de phase, d'un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d'onde par calcul de la tache solaire et d'un modèle d'échangeur air-sol. Ils ont été intégrés dans un modèle global de bâtiment basse consommation ce qui a permis de montrer les avantages de l'environnement de simulation utilisé. Le fait qu'il soit orienté objet permet de valider indépendamment les nouveaux modèles puis de les intégrer facilement à un modèle de niveau hiérarchique supérieur. Le fait qu'il soit basé sur les systèmes d'équations a permis grâce à la non orientation a priori du modèle d'inverser le sens de résolution de plusieurs problèmes dans une simulation dynamique. Enfin, la robustesse des méthodes de résolution utilisées a été éprouvée.

Ce travail présente quelques aspects de la théorie et de l'approximation numérique des écoulements multiphasiques compressibles.

Nous présentons une étude des phénomènes de changement de phase liquide-vapeur en milieu capillaro-poreux à partir de simulations numériques sur réseaux de pores et de liaisons. Deux situations sont investiguées. Dans la première, le changement de phase, piloté par le transfert de masse en phase gazeuse, s'effectue sous les conditions de saturation. Le cas étudié correspond en fait au problème classique du séchage d'un milieu capillaro-poreux initialement complètement saturé. La seconde situation correspond à un cas où le changement de phase s'effectue à la température de saturation. Ce deuxième cas est motivé par une application particulière, l'étude des transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la mèche d'un évaporateur capillaire. Le simulateur-réseau tridimensionnel mis au point pour l'étude du séchage permet d'apporter un éclairage nouveau sur ce problème, principalement à partir de l'analyse de l'évolution de la structuration des phases à l'intérieur du matériau en cours de séchage. Cette analyse est effectuée dans le cadre de la théorie de la percolation d'invasion. Le cas où les effets de la gravité ne sont plus négligeables est également étudié numériquement et analysé à l'aide de la théorie de la percolation en gradient. L'effet de la viscosité de la phase liquide est analysé théoriquement à partir de la percolation en gradient. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont effectuées. Pour l'étude du cas où le changement de phase s'effectue aux conditions de température de saturation, un simulateur réseau bidimensionnel a été mis au point. Ce simulateur permet l'analyse des transferts couplés de chaleur et de masse avec changement de phase. L'étude est principalement consacrée à l'analyse de l'effet de l'hétérogénéité de la microstructure sur le développement de la phase vapeur et sur la structure du front de changement de phase en régime stationnaire. Cette partie conduit à la proposition d'un design amélioré de la mèche de l'évaporateur en termes de système à deux couches ayant des propriétés de transfert différentes.

l'objectif de ce travail est d'analyser et de modéliser le transport d'un polluant dans la couche superficielle non saturée du sol. On se limite aux sols hygroscopiques pour lesquels les constituants de la phase liquide (eau+polluant) sont fortement liés à la phase solide. Les transferts de matière s'opèrent en phase liquide et gazeuse avec prise en compte du changement de phase liquide-gaz. Grâce à un dispositif original, on analyse tout d'abord les isothermes de désorption de l'eau, de l'heptane, du trichloréthylène (TCE) et du mélange eau+TCE dans deux sols ; l'un contenant de l'argile et de la matière organique ; l'autre, en provenance du Burkina Faso (BF) présente des proportions moindres de ces constituants. Le changement de phase liquide-gaz du TCE a fait l'objet d'une étude expérimentale dans le cas du sol du BF avec différentes conditions expérimentales en température et pression. L'ensemble des travaux bibliographiques et expérimentaux ont conduit à la proposition d'un modèle mathématique. La validation du modèle a porté sur le transfert d'eau seule par comparaison avec des expériences de transfert sur des colonnes. Ce modèle traduit particulièrement bien le flux d'eau à la surface et l'évolution des profils de teneur en eau. Ce modèle peut être utilisé dans l'état actuel pour décrire les transferts d'eau à l'interface sol-atmosphère en zone aride. Dans une deuxième partie, on examine le transfert du TCE dans la couche superficielle. Des études de sensibilité ont été menées sur l'épaisseur de la couche, la teneur en eau, la concentration initiale du TCE, la constante de Henry et du coefficient de changement de phase. Cette étude met en évidence l'importance des différents paramètres sur les transferts d'un composé organique volatil et donc sur les priorités de mener parallèlement des expériences en laboratoire et in situ.

La présente thèse traite des phénomènes de transferts de chaleur et de masse en convection mixte thermosolutale avec changement de phase dans un canal. Celui-ci est formé de deux plaques planes parallèles dont l'une ou les deux sont mouillées par un film d'eau de faible épaisseur. Ces plaques sont soumises à une température constante et uniforme. Le canal est traversé par un écoulement laminaire ascendant d'air humide en régime permanent. Le système d'équations mathématiques, est basé sur les équations de Navier-Stokes ainsi que les équations de conservation de l'énergie et de conservation des espèces. L'approximation de Boussinesq est adoptée. La résolution des équations gouvernantes est basée sur la méthode des volumes finis alors que le couplage vitesse-pression est traité à l'aide de l'algorithme SIMPLER. Les effets combinés des forces d'Archimède d'origine thermique et massique sur la convection laminaire dans un canal symétrique isotherme vertical ont été étudiés. Les résultats de cette étude montrent que ces forces ont un effet important sur les champs hydrodynamique, thermique et massique. Ainsi pour des parois froides et un écoulement d'air chaud, ces forces causent le renversement de ce dernier prêt des parois. De plus, nous avons montré que le transfert par chaleur latente n'est important comparé à celui par chaleur sensible que si le gradient de concentration est important. Le renversement d'écoulement laminaire dans un canal symétrique isotherme vertical et asymétrique isotherme pour le cas d'un canal incliné a été étudié. Pour le cas du canal incliné, seule la plaque inférieure est couverte d'un film d'eau de faible épaisseur alors que l'autre est considérée imperméable. Nous avons discuté l'effet des forces d'Archimède d'origine thermique et massique sur les champs hydrodynamique, thermique et massique. Ainsi, ces forces peuvent causer le renversement de l'écoulement si leurs intensité est importante. Les conditions d'existence de ce dernier ont été présentées par des abaques et expressions analytiques. Ces abaques et expressions donnent la valeur critique du nombre de Grashof d'origine thermique en fonction du nombre de Reynolds pour différentes valeurs du nombre de Grashof d'origine massique et différents angles d'inclinaison pour le cas du canal incliné.

Rsum : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux donnes importantes pour le contrle de procds industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de llectrolyse de laluminium, ce processus de solidification assure la protection du systme et influe sur la performance nergtique du procd de fabrication. Malheureusement, ces donnes se rvlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thse porte sur le dveloppement de nouveaux outils permettant ltude et la caractrisation de la solidification de matriaux changement de phase et haute temprature. Lobjectif est de dvelopper un systme de mesure du front de solidification de matriaux changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une prcision et une rponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratgies de contrle dans les cuves dlectrolyse. Ce travail couple une tude exprimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modlisation numrique de phnomne de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves dlectrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.