L'influence des facteurs principe environnement dans le but d'optimiser la production des bioprocédés lipopeptide ont été testés en vue de son utilisation dans la conception nouvelle de bioréacteur à lit fluidisé inverse couplée à une section film de liquide dessus. La production de surfactine lipopeptides et fengycine a été réalisée par les cellules libres et immobilisées aérobie d'un nouveau dérivé spontanée Bacillus subtilis BBG21, qui est un mutant spontané de l'ATCC 21332 considérés comme de type sauvage. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus avec la souche de type sauvage. Les principaux paramètres ont été testés: le taux de transfert d'oxygène, le pH et la température. Les souches ont été cultivées dans un milieu de Landy et Landy modifié de tampon MOPS avec 0,1 M. Influence du taux de transfert d'oxygène a été testé dans des flacons agités à l'aide de tailles de flacon différentes, le volume de remplissage, la fréquence d'agitation et de diamètre en secouant, la production de surfactine a montré une forte corrélation avec l'augmentation des taux de transfert d'oxygène, contrairement à la fengycine, tandis que le taux de transfert d'oxygène très diminué dû à l'acidification du milieu de culture grâce à l'absence de production de lipopeptides a été détecté. Trois régimes différents d’optimisation de la production de lipopeptides ont été observées avec un taux élevé, modéré et limité (OTR) et différents (Rsurf / feng). La meilleure productivité a été obtenue pour la culture à pH 7,0 initial. L'augmentation de la température a permis d'améliorer le rendement surfactine mais a réduit la production fengycine qui a été presque indétectable. Toutefois, l'optimisation de la production et le transfert d'oxygène de gaz-liquide et de mousse ont été étudiés dans un laboratoire dans le bioréacteur à lit inverse fluidisé de conception proposée avec une section film liquide dessus. L'oxygène coefficient de transfert volumétrique (kla) et l'activité mousse ont été déterminés à différentes conditions en utilisant le modèle et la fermentation réelle. Les niveaux de surfactant ont été examinés ci-dessous, et plus près de la concentration micellaire critique (CMC). Les valeurs des (kla) avec deux types de particules de différentes rugosité de surface ont été déterminées et pour une gamme de vitesses de liquide superficielle (Ul) de 0,01 à 0,05 m s-1, les vitesses des gaz (Ug) de 0,003 à 0,014 m s-1 et la surface tensions (σ) de 30 à 72 mN m-1. L'influence du support a été démontrée. Une forte réduction de ce paramètre a été observée dans le modèle et le réel et le media modèle quand la tension de surface a diminué de 72 à 30 mN m-1. Toutefois, la présence de surfactine et fengycine génère un moussage excessif qui impose des difficultés sur le rendement du bioréacteur qui était contrôlée par la conception proposée de nouveaux réacteurs. Les différentes gammes de vitesse spatiale du gaz minute, ainsi que l'état de non équilibre de régimes d'écoulements de fluides ont été étudiés. En utilisant l'approche de l'analyse de corrélation pour une dimension (kla) proposée et les coefficients calculés et expérimentaux sont en assez bon accord. / The influences of principle environmental factors in the goal to optimize the lipopeptide production bioprocess were tested in view of its use in new design of inverse fluidized bed bioreactor coupled with a liquid film top section. The production of lipopeptides surfactin and fengycin was performed by free and immobilized aerobic cells of a new spontaneous derivative Bacillus subtilis BBG21, which is a spontaneous mutant of the ATCC 21332 considered as wild type. Results were compared to those obtained with the wild-type strain. The main parameters were tested: oxygen transfer rate, pH and temperature. The strains were cultivated in Landy and Landy modified medium buffered with MOPS 0.1 M. Influence of oxygen transfer rate was tested in shake flasks by using different flask size, filling volume, shaking frequency and shaking diameter, the surfactin production showed high correlation with the increasing of oxygen transfer rate, contrary with fengycin, while the highly decreased of the oxygen transfer rate due to acidification of the culture medium due to no production of lipopeptides was detected. Three different lipopeptides production optimization regimes were observed with high, moderate and limited (OTR) and different (Rsurf/feng) ratio. The best productivity was obtained for the culture at initial pH 7.0. Interestingly the increasing of temperature allowed to improve the surfactin yield but reduced the fengycin production which was nearly undetectable. However, the production optimization and the gas-liquid oxygen transfer and foaming were studied in a laboratory scale in the proposed bioreactor design inverse fluidized bed with a liquid film top section. The volumetric oxygen transfer coefficient (kla) and foaming activity were determined at various conditions using model and real fermentation. Surfactant levels were examined below, near and over the critical micelle concentration (CMC). The (kla) values with two types of different surface roughness particles were determined and for a range of superficial liquid velocities (Ul) from 0.01 to 0.05 m s-1, gas velocities (Ug) from 0.003 to 0.014 m s-1 and surface tensions (σ) from 30 to 72 mN m-1. The influence of support has been demonstrated. A strong reduction of this parameter has been observed in the real and model media when the surface tension decreased from 72 to 30 mN m-1. However, the presence of surfactin and fengycin generates extensive foaming that imposes difficulties on the bioreactor performance which was controlled by the proposed new reactor design. The different ranges of gas minute space velocity, as well as no steady state regimes of fluid flows have been studied. By using the dimensionless analysis approach a correlation for (kla) has been proposed and the calculated and experimental coefficients are in fairly good agreement.

Dans les centrales nucléaires à eau sous pression, les Résines Echangeuses d'Ions (REI) sont utilisées dans les circuits d'épuration. Dans le cadre de cette thèse, une étude qualitative a été réalisée afin de prédire les tendances du comportement d'une REI dans le cadre de son utilisation en condition centrale nucléaire. Fort des résultats de cette étude, nous avons cherché à caractériser quantitativement le comportement des REI en colonne. Pour cela, nous avons utilisé des solutions analytiques mais ces dernières se sont révélées valables uniquement dans des cas particuliers. Afin de trouver une solution générale, nous nous sommes donc tournés vers une solution numérique : OPTIPUR. En vue de la valider et aussi de mieux comprendre la cinétique en colonne, nous avons réalisé une étude expérimentale. Cette dernière vise à caractériser la résistance au transfert de masse en colonne et à mener une étude de sensibilité sur les paramètres influençant ce phénomène. Cette étude repose sur la détermination de la fuite ionique cinétique, correspondant à une certaine concentration de polluant présente en sortie de colonne en début d'expérience. Pour cela, nous avons testé l'influence de nombreux paramètres sur la fuite ionique cinétique. Nous avons ainsi vu l'importance de la vitesse de filtre et donc des conditions hydrodynamiques sur la fuite ionique cinétique. Ces nombreux résultats de fuite cinétique, ont été modélisés à l'aide de la corrélation empirique de Dwivedi & Upadhyay afin de tester sa validité. Par la suite, nous avons simulé nos résultats de fuite ionique cinétique avec deux options du logiciel OPTIPUR : option Mass Transfer Coefficient (MTC) et Nernst-Planck (NP). Ces dernières encadrent les résultats expérimentaux. L'option MTC d'OPTIPUR donne des résultats inférieurs alors que ceux obtenus avec l'option NP sont supérieurs aux résultats expérimentaux. Nous avons vu que dans le cadre d'un échange ternaire, seule l'option NP est valide. Nous avons proposé des solutions pour mieux caler les résultats obtenus numériquement. D'autres simulations ont été réalisées afin de vérifier les capacités de prédiction de l'appareil pour des expériences plus longues (allant jusqu'à la saturation de la REI). Les tendances observées étaient celles attendues. L'outil OPTIPUR est un outil précis et robuste pour étudier la cinétique en colonne.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche entre le CEA et ARMINES (Centre LGEI/ Ecole des Mines d'Alès). Il vise à améliorer la connaissance des mécanismes physiques se produisant lorsque qu'une nappe de liquide (inflammable et/ou toxique stocké à pression atmosphérique) s'évapore suite à la rupture de son stockage. La démarche expérimentale employée consiste à réaliser un plan d'expériences visant à exprimer le débit d'évaporation initial d'une nappe sous différentes conditions initiales de température de liquide et de sol, sous différentes vitesse d'écoulement, de température d'air et selon différentes épaisseurs initiales de liquide. Les différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement, la température de la nappe et le débit d'évaporation sont mesurés et quantifiés.Les débits d'évaporation expérimentaux sont confrontés à ceux prédits par les différentes corrélations disponibles dans la littérature. Deux analyses de sensibilité sont également réalisées sur ces corrélations et les résultats confrontés à ceux du plan d'expériences afin de vérifier si les corrélations attribuent le même poids aux différents paramètres expérimentaux que le phénomène en lui-même.Les relevés de température dans l'épaisseur de la nappe mettant en évidence la présence de cellules de convection naturelle est également étudiée. Par ailleurs, la température moyenne de la surface est déterminée à partir des différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement.A l'aide des résultats obtenus, l'étude de plusieurs éléments a été réalisée: l'écart de prédiction sur les résultats des équations bilan thermique et massique selon la température employée pour les incrémenter, la nette différence de température entre la surface et le coeur du liquide, rarement prise en compte dans les modèles théoriques, le rôle prépondérant de la convection naturelle dans le phénomène d'évaporation.Un dernier chapitre étudie la dispersion de la température de surface (phénomène peu étudié dans la littérature) à l'aide d'une caméra thermique. Des zones de températures homogènes apparaissent alors dans le cas de l'essai mettant en oeuvre un écoulement de cavité au-dessus du liquide. La présence de différentes zones de température implique que la cinétique d'évaporation n'est pas uniforme sur la surface de la nappe. A partir de ces résultats, le coefficient de transfert de matière est étudié en fonction de la régression du niveau de liquide dans le bac et conclut à une diminution non modélisée par les corrélations existantes.

Dans les centrales nucléaires à eau sous pression, les Résines Echangeuses d'Ions (REI) sont utilisées dans les circuits d'épuration. Dans le cadre de cette thèse, une étude qualitative a été réalisée afin de prédire les tendances du comportement d'une REI dans le cadre de son utilisation en condition centrale nucléaire. Fort des résultats de cette étude, nous avons cherché à caractériser quantitativement le comportement des REI en colonne. Pour cela, nous avons utilisé des solutions analytiques mais ces dernières se sont révélées valables uniquement dans des cas particuliers. Afin de trouver une solution générale, nous nous sommes donc tournés vers une solution numérique : OPTIPUR. En vue de la valider et aussi de mieux comprendre la cinétique en colonne, nous avons réalisé une étude expérimentale. Cette dernière vise à caractériser la résistance au transfert de masse en colonne et à mener une étude de sensibilité sur les paramètres influençant ce phénomène. Cette étude repose sur la détermination de la fuite ionique cinétique, correspondant à une certaine concentration de polluant présente en sortie de colonne en début d'expérience. Pour cela, nous avons testé l'influence de nombreux paramètres sur la fuite ionique cinétique. Nous avons ainsi vu l'importance de la vitesse de filtre et donc des conditions hydrodynamiques sur la fuite ionique cinétique. Ces nombreux résultats de fuite cinétique, ont été modélisés à l'aide de la corrélation empirique de Dwivedi & Upadhyay afin de tester sa validité. Par la suite, nous avons simulé nos résultats de fuite ionique cinétique avec deux options du logiciel OPTIPUR : option Mass Transfer Coefficient (MTC) et Nernst-Planck (NP). Ces dernières encadrent les résultats expérimentaux. L'option MTC d'OPTIPUR donne des résultats inférieurs alors que ceux obtenus avec l'option NP sont supérieurs aux résultats expérimentaux. Nous avons vu que dans le cadre d'un échange ternaire, seule l'option NP est valide. Nous avons proposé des solutions pour mieux caler les résultats obtenus numériquement. D'autres simulations ont été réalisées afin de vérifier les capacités de prédiction de l'appareil pour des expériences plus longues (allant jusqu'à la saturation de la REI). Les tendances observées étaient celles attendues. L'outil OPTIPUR est un outil précis et robuste pour étudier la cinétique en colonne. / In pressurized water reactor, ion exchange resins (IER) are used in systems purification. In this thesis, a qualitative study has been performed to predict the behavior of IER while used in nuclear plants conditions. Then, we searched to characterize the IER behavior in column through a quantitative study using analytical solutions. But these solutions worked only for particular cases. In order to find a general solution, we used a new numerical solution: OPTIPUR. To validate this general solution and get a better understanding of the kinetic in column, we performed an experimental study to characterize the resistance to mass transfer in column and to study the sensibility on the parameters influencing this phenomenon. This study is based on the characterization of the initial leakage (initial pollutant concentration at the column outlet). We tested numerous parameters on the initial leakage. We understood the importance of the superficial velocity and indeed of the hydrodynamic conditions on the initial leakage. These numerous results about initial leakage were modeled with an empirical correlation of Dwivedi and Upadhyay in order to validate it. Then, we modeled our results with the two options of OPTIPUR software: option Mass Transfer Coefficient (MTC) and Nernst-Planck (NP). These options encircle experimental results. The MTC option of OPTIPUR gives lower results while those obtained with the NP option are higher than the experimental results. We observed also that only the NP option was valid for a ternary exchange. We proposed solutions to get a better fit with the results obtained with OPTIPUR. We performed other simulations to check the prediction abilities of the software for longer experiments (until the IER saturation). The tendencies were those expected. The OPTIPUR software showed is accuracy and robustness to study column kinetic.

Le coefficient de transfert de chaleur est nécessaire pour concevoir et dimensionner un évaporateur utilisé pour concentrer un liquide, tel que rencontré couramment dans les industries alimentaires. Le coefficient de transfert de chaleur le plus variable et le plus incertain est du coté produit, entre paroi et liquide, noté « h ». Il varie à la fois avec les propriétés thermo-physiques du liquide traité (ηL, σL, λL, ρL , CpL, ω, ...) et avec les paramètres du procédé (type d'évaporateur, φ ou Δθ, Γ (δ), P, rugosité de la surface, encrassement, etc), ces grandeurs étant définies dans le texte. Mais h est aussi lié au régime d'ébullition (nucléée ou non nucléée), et pour les évaporateurs de type « flot tombant », au régime d'écoulement laminaire ou turbulent, selon le nombre de Reynolds en film Ref. Nous avons étudié le cas des évaporateurs « à flot tombant », très utilisés dans les industries alimentaires pour concentrer le lait et les produits laitiers, les jus sucrés, les jus de fruits et légumes. L'objectif de notre travail était de définir une méthode fiable et économique pour évaluer a priori le coefficient de transfert de chaleur h coté liquide en ébullition, dans un évaporateur flot tombant. La première partie de la thèse a été consacrée à l'analyse bibliographique, qui a révélé une grande incertitude actuelle dans la prévision de h, sur la base des formules de la littérature, et des paramètres descripteurs proposés. La deuxième partie de la thèse a été de concevoir et construire un pilote utilisable pour estimer h, dans des conditions stationnaires connues et reproductibles. Dans la troisième partie, on présente les résultats et commente les lois de variations de h en fonction de la concentration de matière sèche du liquide XMS, de la température d'ébullition de liquide θL (ou P), du flux de chaleur φ ou (Δθ), et du débit massique de liquide par unité de périmètre de tube Γ, pour des propriétés de surface de chauffe fixées (ici, paroi en acier inoxydable poli Rs ≈ 0,8 μm). On commente l'effet sur h de chaque variable isolément, les autres étant maintenues constantes, ce qui confirme l'importance de la transition du régime non-nucléé au régime nucléé, cette transition variant avec la nature du liquide, sa concentration, et le flux de chaleur. On a montré la possibilité de modéliser un produit donné dans l'ensemble du domaine expérimental, où tous les paramètres peuvent varier simultanément, avec peu de coefficients, selon deux types d'équations (polynomiale et puissance). On a comparé le cas d'un liquide Newtonien (jus sucré) et non-Newtonien (solution de CMC dans l'eau). On a aussi observé le débit de mouillage critique Γcri et ses lois de variation. On a aussi démontré la possibilité de simplifier le plan d'expérience, aussi bien pour les liquides Newtoniens que non-Newtoniens, tout en gardant un coefficient de corrélation satisfaisant dans le domaine Γ > Γcri, cette modélisation pouvant servir de base de données produit pour l'ingénierie.

Après avoir présenté leurs mécanismes de fonctionnement et les domaines auxquels elles s'appliquent, nous classons les colonnes d'extraction liquide-liquide sous champ électrique en trois catégories. La critique de ces appareils nous amène à concevoir un contacteur pourvu d'électrodes isolées des fluides par un revêtement diélectrique et alimenté par un générateur haute tension de fréquence ajustable. - Etude hydrodynamique : - La mesure de rétention en phase dispersée permet d'analyser le fonctionnement du contacteur, qui atteint le régime de dispersion électrostatique à 4 kilovolts par centimètre. Nous démontrons les points suivants : - Le revêtement d'électrodes introduit une atténuation du champ croissante avec la conductivité de la phase pour disperser le milieu diphasique. - La fréquence n'influe pas sur la rétention. - Nous caractérisons l'écoulement des phases, en analysant la distribution des temps de séjour, grâce à une technique de traçage par un colorant soluble dans la phase continue organique : La dispersion électrostatique assure la minimisation des phénomènes de remélage. - Comportement électrique : - Le contacteur est équivalent à une capacité, dont la valeur reflète le niveau de rétention en phase dispersée. - Transfert de matière : - Pour une goutte isolée à laquelle on applique une sollicitation périodique au moyen d'un champ pulsé, le gain enregistré n'est significatif qu'aux faibles diamètres. Il apparaît peu au niveau du contacteur. - En régime de dispersion électrostatique le contacteur atteint des temps d'étages très réduits. La fréquence à une influence notable. Le nombre d'unités de transfert pouvant doubler entre 50 et 800 Hertz. L'efficacité globale est liée à l'aire d'échange ainsi qu'à la rapidité des cycles de rupture-coalescence.

L’opération de transfert de matière gaz/liquide est une étape essentielle en génie desprocédés. Elle conditionne directement les performances des contacteurs gaz/liquide en représentantbien souvent l’étape limitant l’efficacité du procédé. L'objectif de cette étude est de proposer denouvelles investigations afin d'étudier l'effet de la présence dans l'eau pure, de certains composésgénéralement rencontrés dans les procédés biologiques, sur les coefficients de diffusion de l'oxygèneet de quantifier leurs conséquences sur les coefficients de transfert de matière côté liquide. Lescoefficients de diffusion de l'oxygène DO2 ont été mesurés dans diverses phases liquides contenant dusel (NaCl), du sucre (glucose) ou des tensio-actifs (laurylsulfate de sodium). Comparé à l'eau pure,des réductions de coefficient de diffusion DO2 ont été observées, la variation de DO2 avec laconcentration C de composé a été modélisée, elle dépend de la nature du composé ajouté. Ensuite,des expériences réalisées sur un train de bulles et sur les mêmes phases liquides ont permis ladétermination des coefficients de transfert de matière côté liquide kL. Quelle que soit la solutionaqueuse étudiée, une diminution des valeurs de kL est observée avec l'augmentation de C. Cesrésultats mettent en évidence que, même si les propriétés de l'eau pure (densité, viscosité, tensionsuperficielle) ne sont pas significativement modifiées par l'ajout de sels (NaCl), les coefficients detransfert de matière côté liquide kL peuvent être modifiés. Pour les solutions aqueuses de glucose, laréduction de kL avec DO2 est bien corrélée, et principalement due à la variation de viscosité avec laconcentration. Pour les solutions de tensio-actif, les nombres de Reynolds restent presque constantspour toutes les concentrations. Le seul responsable de la réduction du coefficient de transfert dematière côté liquide kL est donc le coefficient de diffusion de l’oxygène qui diminue avec laconcentration. La présente étude a clairement confirmé la nécessité de compléter et/ou rendre comptedes données liées aux coefficients de diffusion de l’oxygène DO2 et aux coefficients de transfert dematière côté liquide kL dans des milieux complexes (solution électrolytique, solution organique ettensioactif). Ces informations sont nécessaires pour décrire et modéliser correctement lesphénomènes de transfert de matière gaz/liquide / The gas/liquid mass transfer is an essential step in process engineering. It directly affects theperformance of gas/liquid reactor in being often limiting process efficiency. The objective of this studyis to propose new investigations in order to study (i) the effect on oxygen diffusion coefficients underthe presence in clean water of some compounds usually found in biological process and (ii) quantifytheir consequences on liquid-side mass transfer coefficients. The oxygen diffusioncoefficients DO2 were measured in various synthetic liquid phases containing either salt (NaCl), sugar(glucose) or surfactant (sodium laurylsulphate). When compared to clean water, reductionsof DO2 were observed; the variation of DO2 with the compound concentration C was modeled andfound dependent on the nature of the compound added. Then, to determine the liquid side masstransfer coefficient kL, experiments on a train of bubbles rising in a quiescent liquid phase were carriedout by the same synthetic liquid phases. For all cases, whatever the aqueous solutions, a decreaseof kL with increasing C was clearly observed. These results firstly showed that, even if the properties ofclean water (density, viscosity, surface tension) were not significantly changed by the addition of salts(NaCl), the liquid-side mass transfer coefficients could be modified. For the aqueous solutions ofglucose, the reduction of kL with DO2 was well correlated, and mainly due to the change in viscositywith concentration. For surfactants, the hydrodynamic conditions (i.e. bubble Reynolds number) beingalmost kept constant for all concentrations, only the change in DO2 was thus responsible for thedecrease of kL. The present study clearly confirmed the need to complete and/or account for thedatabase related to oxygen diffusion coefficients and liquid side mass transfer coefficient in complexmedia (electrolytic solution, organic solution and surfactant). This condition is imperatively required todescribe and to model appropriately the gas-liquid mass transfer phenomena

La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d'oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l'œnologie. Cette technique n'est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l'oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d'oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d'éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l'augmentation de débit de gaz et l'augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d'oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l'apport d'oxygène et la simulation de la technique d'élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l'ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d'oxygène par diffusion.

La méthode de refroidissement basée sur le principe thermosiphon présente un grand intérêt en raison de sa simplicité, de sa nature passive et de son coût faible. Elle est adoptée pour le refroidissement à 4,5 K de l’aimant supraconducteur du détecteur de particules CMS auprès du LHC en construction au CERN à Genève. Le travail présenté dans cette thèse étudie expérimentalement les propriétés thermiques et hydrodynamiques d’un écoulement d’He I diphasique en circulation naturelle. Le dispositif expérimental utilisé consiste en une boucle thermosiphon monobranche composée principalement d’un séparateur de phases, d’un tube descendant et d’une section d’essai. Les expériences ont été réalisées en faisant varier plusieurs paramètres tels que le diamètre des sections d’essai (10 mm ou 14 mm) et le flux de chaleur allant jusqu’à l’apparition de la crise d’ébullition. Ces expériences ont permis de déterminer les lois d’évolution des différentes grandeurs caractérisant l’écoulement (le débit massique de circulation, le débit massique vapeur, le titre massique, le coefficient de friction et le coefficient d’échange thermique) en fonction de la densité du flux de chaleur appliquée. Au regard des résultats obtenus, nous discutons la validité des différents modèles classiques existants dans la littérature. Nous montrons que le modèle homogène est le modèle le mieux adapté pour prédire les propriétés hydrodynamiques de ce type d’écoulement dans la gamme de titre massique 0?x?30%. De plus, nous proposons deux modèles pour la prédiction du coefficient de transfert de chaleur diphasique et la densité de flux de chaleur critique. Le premier considère que les effets de la convection forcée et de l’ébullition nucléée agissent simultanément et contribuent au transfert de chaleur. Le deuxième corrèle la densité de flux de chaleur critique mesurée en fonction du rapport altitude sur diamètre / The method of cooling based on the thermosiphon principle is of great interest because of its simplicity, its passivity and its low cost. It is adopted to cool down to 4,5 K the superconducting magnet of the CMS particles detector of the Large Hadron Collider (LHC) experiment under construction at CERN, Geneva. This work studies heat and mass transfer characteristics of two phase He I in a natural circulation loop. The experimental set-up consists of a thermosiphon single branch loop mainly composed of a phase separator, a downward tube, and a test section. The experiments were conducted with varying several parameters such as the diameter of the test section (10 mm or 14 mm) and the applied heat flux up to the appearance of the boiling crisis. These experiments have permitted to determine the laws of evolution of the various parameters characterizing the flow (circulation mass flow rate, vapour mass flow rate, vapour quality, friction coefficient, two phase heat transfer coefficient and the critical heat flux) as a function of the applied heat flux. On the base of the obtained results, we discuss the validity of the various existing models in the literature. We show that the homogeneous model is the best model to predict the hydrodynamical properties of this type of flow in the vapour quality range 0?x?30%. Moreover, we propose two models for the prediction of the two phase heat transfer coefficient and the density of the critical heat flux. The first one considers that the effects of the forced convection and nucleate boiling act simultaneously and contribute to heat transfer. The second one correlates the measured critical heat flux density with the ratio altitude to diameter

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche entre le CEA et ARMINES (Centre LGEI/ Ecole des Mines d'Alès). Il vise à améliorer la connaissance des mécanismes physiques se produisant lorsque qu’une nappe de liquide (inflammable et/ou toxique stocké à pression atmosphérique) s’évapore suite à la rupture de son stockage. La démarche expérimentale employée consiste à réaliser un plan d'expériences visant à exprimer le débit d'évaporation initial d’une nappe sous différentes conditions initiales de température de liquide et de sol, sous différentes vitesse d’écoulement, de température d’air et selon différentes épaisseurs initiales de liquide. Les différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement, la température de la nappe et le débit d'évaporation sont mesurés et quantifiés.Les débits d'évaporation expérimentaux sont confrontés à ceux prédits par les différentes corrélations disponibles dans la littérature. Deux analyses de sensibilité sont également réalisées sur ces corrélations et les résultats confrontés à ceux du plan d'expériences afin de vérifier si les corrélations attribuent le même poids aux différents paramètres expérimentaux que le phénomène en lui-même.Les relevés de température dans l'épaisseur de la nappe mettant en évidence la présence de cellules de convection naturelle est également étudiée. Par ailleurs, la température moyenne de la surface est déterminée à partir des différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement.A l'aide des résultats obtenus, l'étude de plusieurs éléments a été réalisée: l’écart de prédiction sur les résultats des équations bilan thermique et massique selon la température employée pour les incrémenter, la nette différence de température entre la surface et le coeur du liquide, rarement prise en compte dans les modèles théoriques, le rôle prépondérant de la convection naturelle dans le phénomène d'évaporation.Un dernier chapitre étudie la dispersion de la température de surface (phénomène peu étudié dans la littérature) à l'aide d'une caméra thermique. Des zones de températures homogènes apparaissent alors dans le cas de l'essai mettant en oeuvre un écoulement de cavité au-dessus du liquide. La présence de différentes zones de température implique que la cinétique d’évaporation n’est pas uniforme sur la surface de la nappe. A partir de ces résultats, le coefficient de transfert de matière est étudié en fonction de la régression du niveau de liquide dans le bac et conclut à une diminution non modélisée par les corrélations existantes. / This work belongs to a research project between CEA and ARMINE (LGEI center/ Ecole des Mines d’Alès). It aims at increasing comprehension of physical mechanism generating when a liquid pool (either flammable or toxic parked under atmospheric pressure) evaporates after loss of containment. An experimental design is realized in order to express some characteristics of evaporation phenomena (initial evaporation rate, steady evaporation rate and duration of unsteady evaporation rate) as a function of initial liquid and soil temperature, wind velocity, air temperature and initial liquid thickness. Heat fluxes exchanged between the pool and its environment are either measure or computed.Experimental evaporation rates are compared to those predicted by correlations available in the literature. Two sensitivity analyses are performed and their results are confronted to those from experimental design. It allows determining if the importance of the different experimental parameters is the same from the correlations to the phenomena itself.Temperature measurements in liquid thickness highlight the presence of natural convection cells. Besides, mean surface temperature is computed from measurements of heat fluxes exchanged between the pool and its environment. From the different results, several points are investigated: the shift between heat and mass balance equations according to the temperature employed to compute them the difference between the liquid bulk and liquid surface temperature, barely taken into account in correlations the noteworthy role of natural convection in the evaporation phenomena.A last chapter studies the surface temperature distribution thanks to an infrared thermometer. Homogeneous temperatures areas appear in the case of cavity flows. The presence of different temperature areas implies that evaporation kinematic in not uniform in the whole surface. From these result the mass transfer coefficient is studied as a function of the step height between the top of the cavity and the liquid surface. It concludes to a mass transfer coefficient decrease non modeled by the different correlations in the literature.