Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente la méthodologie utilisée et les résultats d’optimisation de champs d’échangeurs géothermiques verticaux. Le contenu est présenté en deux articles de journaux scientifiques. Le premier article traite d’une étude sur l’impact de la stratigraphie du sol sur l’évaluation de performance d’échangeur géothermique. L’étude dévoile que les résultats des simulations prédisent une consommation d’énergie équivalente du système de thermopompe géothermique, que le sol soit stratifié ou homogène avec une conductivité thermique moyenne. Le premier article confirme donc l’hypothèse selon laquelle un système de pompe à chaleur couplée au sol peut être modélisé en utilisant une conductivité thermique moyenne. Le deuxième article présente une méthode d’optimisation de la conception d’échangeurs géothermiques afin de minimiser le coût du système global. Les résultats montrent entre autres que le nombre de puits dans une grille d’échangeurs, de même que leur profondeur, sont des paramètres d’importance dans la variation du coût. / This master thesis presents the method used and the optimization results for a ground coupled heat exchangers borefield. The content is divided into two papers submitted for publication to scientific journals. The first paper reports a study on soil stratigraphy impact on performance evaluation for a geothermal heat pump. The study reveals that the results obtained from simulation predict the same energy consumption of heat pump system for stratified soil and for homogenous soil defined by an average thermal conductivity. It confirms the assumption that a ground coupled heat exchanger system can be modeled using an average value of thermal conductivity. The second paper presents an optimization method of geothermal borefield design to minimize the cost of the system. Results show that number of boreholes in the grid, and their depth, are two influential parameters having strong effect on total cost.

Dans ce mémoire on s'intéresse à la modélisation du changement de phase solide-liquide en convection naturelle et en convection forcée en utilisant l'équation de diffusion de la chaleur et une forme modifiée de la conductivité. Comme on ne cherche pas à résoudre le champ des vitesses, on intègre à l'intérieur de la conductivité modifiée les effets thermiques des mouvements convectifs, puis on résout l'équation de conduction en utilisant ces conductivités modifiées. L'objectif du mémoire est de prédire la position de l'interface solide-liquide en fonction du temps dans un processus de fusion ou de solidification en présence de convection, et ce avec un modèle conductif. Dans les deux cas types que nous avons traités, la valeur de la conductivité modifiée à utiliser dans le modèle conductif simplifié est d'abord estimée par une étude d'ordre de grandeur. Le premier cas type étudié est celui du changement de phase en présence de convection forcée se déroulant dans une conduite à paroi froide. On a réussi à développer une relation permettant d'obtenir la valeur de la conductivité modifiée directionnelle à utiliser dans le modèle conductif en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement ainsi que du facteur de forme de la conduite. Cette relation a montré de bons résultats en comparaison avec ceux issus d'un modèle numérique complet plus classique (CFD). Le deuxième cas type étudié est celui de la fusion d'un matériau sous l'effet de la convection naturelle à l'intérieur d'une enceinte. Nous avons réussi à paramétrer l'évolution des valeurs de conductivité modifiée à utiliser par notre modèle conductif, celles-ci sont fonction de l'avancement du front de fusion et du nombre de Nusselt. Cette modélisation est comparée à la fois avec les résultats fournis par un modèle numérique complet (CFD) mais aussi avec des résultats expérimentaux issus de la littérature. Ces comparaisons ont montré une bonne concordance entre notre modélisation et la réalité. / In this work we have developed an enhanced conduction model for predicting solid-liquid interface positions in convection-dominated phase-change processus. The flow field is not calculated and the effects of convection are taken into account via the modification of the material conductivity. Our objective is to obtain a good approximation of the solid-liquid interface evolution. It is shown that the enhanced thermal conductivity of the melt may be formulated in terms of directional thermal conductivity components and that their value may be correlated in terms of dimensional numbers obtained from an order of magnitude analysis. The proposed approach is then tested for two different cases. The first test case is devoted to forced convection dominated solidification in a duct while the second test case is concerned with buoyancy dominated melting in an enclosure. The results of the simulations using our conduction model are then compared with a full CFD model and in the case of melting in an enclosure experimental data, they show good agreements.

La problématique de la sauvegarde de l’énergie pose un certain nombre de défis à la science, en particulier celui de son efficacité. La conception et la caractérisation de nouveaux matériaux isolants thermiques plus performants se révèlent donc fondamentales dans cette perspective. Les aérogels se présentent comme de sérieux candidats dans ce domaine, leur procédé de fabrication confère à certains d’entre eux des caractéristiques extrêmes telles qu’une grande porosité et une faible masse volumique. La caractérisation thermique de tels matériaux est délicate, leur faible sensibilité aux flux thermiques qui les traversent rend les méthodes connues difficiles à mettre en œuvre. A travers l’étude d’échantillons d’aérogels de faible poids moléculaire conçus au LCPM, une méthode de caractérisation adaptée a été développée. Cette méthode de type « tri-couche » offre les avantages d’être robuste et de s’affranchir de la connaissance de paramètres difficiles à atteindre dans de tels cas. La description et la validation de cette méthode sont l’objet principal de ce travail. Par ailleurs, les mesures de conductivité thermique sous vide ont été exploitées et ont permis une compréhension plus poussée de la structure de ces aérogels. Les résultats obtenus dans cette étude ouvrent donc des perspectives en vue de l’optimisation de nouvelles solutions pour l’isolation thermique / The issue of preserving energy raises a number of challenges to science, particularly its efficiency. The conception and characterization of new more efficient thermal insulating materials prove fundamental in this regard. Aerogels appear as serious candidates in this area, their manufacturing process provides extreme characteristics such as high porosity and low density for some of them. Thermal characterization of such materials is tricky, their low sensitivity to heat flux makes well-known methods difficult to implement. Through the study of low molecular weight aerogel samples designed by the LCPM a characterization method suitable to these samples has been developed by the LEMTA. This “three-layers” method offers the advantages of being robust and to overcome the knowledge of parameters that are difficult to reach in such cases. Describing and validating this method is the main object of this work. In addition, thermal conductivity measurements under vacuum have been processed which allowed a deeper understanding of the structure of aerogels. The results obtained this study open perspectives for the optimization of new solutions for thermal insulation

Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique. / In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, la gestion thermique de l'intégration des puces en silicium au sein du système global constitue un problème clé. La chaleur dissipée par les composants électriques est évacuée vers l’extérieur à travers un drain thermique, généralement en cuivre, qui est brasé sur le substrat céramique. Cette étude est consacrée à l'élaboration de drains thermiques adaptatifs en matériaux composites cuivre allié/fibres de carbone (FC) qui combinent une bonne conductivité thermique et un CTE proche de celui du substrat. Dans ce type de matériau, la liaison interfaciale renfort/matrice doit être forte afin d'optimiser le transfert des propriétés entre les deux composants. Le couple cuivre/carbone étant non réactif, un élément d’addition carburigène (Cr ou B) est ajouté à la matrice de cuivre afin de créer cette liaison chimique forte. Un matériau modèle a été réalisé par pulvérisation cathodique afin d’étudier la diffusion de l’élément d’addition au sein de la couche de cuivre vers la zone interfaciale et la formation d’un carbure métallique. Une méthode de chimie des solutions a ensuite été utilisée pour élaborer des poudres de cuivre allié de stœchiométrie donnée. Enfin, les matériaux composites (Cu-B/FC et Cu-Cr/FC) ont été élaborés par métallurgie des poudres et leurs propriétés thermiques et mécaniques corrélées à la microstructure et à la chimie des zones interfaciales / In the field of power electronics, thermal management of silicon chips plays a key role in our ability to increase their performance. Heat generated by the electronic components is dissipated through the heat sink, generally made of Copper that is brazed on to a ceramic substrate. This study focuses on the elaboration of adaptive heat sink material using Copper alloys/Carbon fibers (CF) composite materials which have a good thermal conductivity and a CTE close to the ceramic substrate. In this kind of material, it is necessary to have a strong matrix/reinforcement link in order to optimize transfer properties. Since there is no reaction between Copper and Carbon, a carbide element (Cr or B) is added to the Copper matrix to create this strong chemical bond. A model material has been elaborated by cathode sputtering in order to study the diffusion of the alloying element in the Copper layer and the metallic carbide formation in the interfacial zone. Copper alloy powders, with a given stoichiometry, have also been synthesized by a chemical method. Lastly, composite materials (Cu-B/CF and Cu-Cr/CF) have been elaborated by a powder metallurgy process and their thermal and mechanical properties correlated to the microstructure and the chemistry of the interfacial zones.

Les composites Carbone/Carbone haute densité sont généralement obtenus par voie gazeuse ou liquide (sous une pression de pyrolyse de 100 MPa), suivant des procédés contraignants. L’imprégnation de préformes fibreuses par des brais liquéfiés, sous une pression limitée à 10 MPa, permettrait de réduire certaines contraintes d’élaboration à condition de trouver des procédés pour améliorer les rendements de densification. La solution proposée dans le cadre de cette thèse est d’augmenter fortement la densité en une première étape, grâce à des techniques de densification moins classiques. Une étude bibliographique approfondie a permis de déterminer les caractéristiques importantes des brais, les différents paramètres influençant les densifications par voie liquide et des techniques de pré-densification. La cohérence entre les résultats de plusieurs techniques de caractérisation des brais, est mise en évidence lors du suivi expérimental de l’évolution de divers brais vers un carbone graphitique, sous pression modérée. Cette étude expérimentale concernant les précurseurs de matrice aboutit à la sélection d’un brai remplaçant au brai de référence A240 et au choix des paramètres du protocole de pyrolyse sous pression modérée. L’influence du réseau poreux de la préforme sur le comportement du brai pendant la densification est soulignée en comparant les rendements de densification dans une préforme 3D orthogonale et dans une préforme aiguilletée. L’intérêt des densifications mixtes (avec caléfaction, imprégnation de poudres ou de brai mésophasique) est jugé par rapport à la densité et à la microstructure des composites obtenus. Les procédés originaux de densification hybride réalisés sur les préformes aiguilletées se révèlent efficaces, puisqu’une densité apparente supérieure à 1,80 et une porosité inférieure à 15% est atteinte après quatre cycles de densification par du brai isotrope. Des mesures thermiques sur les composites C/C obtenus illustrent la relation entre microstructure et conductivité thermique. Il semble ainsi possible de moduler les propriétés macroscopiques des composites C/C grâce à l’utilisation de procédés permettant d’élaborer des composites C/C à matrices carbonées mixtes. / High density Carbon/Carbon composites are usually prepared by chemical vapor impregnation or by liquid pitch impregnation under high pressure (100 MPa). As these processes are complex and costly, an alternative moderate pressure (P < 10 MPa) impregnation process may be attractive, provided the densification yield is strongly improved. This doctoral work proposes an original process, including a pre-densification step, which leads to a significant increase of the C/C composite final density. Essential characteristics of pitches, various parameters influencing liquid pitch densification and processes for the pre-densification step are determined from bibliographical study. Consistent changes of the different physico-chemical characteristics are observed throughout the evolution of pitches to graphitic carbon, under moderate pressure. This experimental study on matrix precursors leads to the selection of a particular pitch as substitute of A240 pitch and to the determination of a specific pyrolysis procedure under moderate pressure. Influence of porous network in preforms on the pitch behaviour during densification is outlined by the comparison of densification yields in both an orthogonal 3D preform and a needled preform. Hybrid densification processes (with film-boiling process, powder impregnation, mesophasic pitch impregnation) are evaluated through the final density and the microstructure of elaborated composites. High density C/C composites, with an apparent density higher than 1.80 g.cm-3 and an open porosity lower than 15%, have been prepared from a pre-densified needled preform, after four densification cycles with liquid isotropic pitch, under moderate pressure. Thermal properties measurements on these C/C composites confirm the strong relationship between microstructure and thermal conductivity. It seems possible to tailor the macroscopic properties of C/C composites, thanks to hybrid carbonaceous matrices.

Au cours de cette thèse, nous étudions la compétition entre les états onde de densité de charge (ODC) et supraconducteur dans le composé multi-bandes à deux chaines TTF[Ni(dmit)2]2. Nous avons réalisé des mesures de résistivité, de pouvoir thermoélectrique et de conductivité thermique sous pression hydrostatique jusqu’aux basses températures. A basse pression, deux ondes de densité de charge détectées par mesures de rayons X et observées par nos mesures de résistivité transverse sont associées aux bandes 1D LUMO et HOMOI de la chaine Ni(dmit)2. A 12kbar, la fusion de ces deux instabilités est associée à l’emboîtement des bandes LUMO avec les bandes HOMOI à travers le point Γ de la première zone de Brillouin. A 18kbar et sur un intervalle de 5-6kbar, on observe un pic de commensurabilité attribué au vecteur d’emboîtement commensurable 2kF = 1/3b*.La supraconductivité est observée à partir de 2kbar et jusqu’à 22kbar avec une température critique 0.6K qui augmente avec la pression et est corrélée à la variation des températures de transition ODC. La supraconductivité est associée à la bande 2D HOMOII du Ni(dmit)2. Les mesures de champ magnétique critique ont permis de donner des informations sur l’évolution de la texture de coexistence métal- ODC en fonction de la pression. Elles mettent aussi en évidence une supraconductivité non conventionnelle avec des nœuds dans le gap.Ces résultats nous ont permis de revisiter le diagramme de phase Température-Pression de ce composé qui s'est révélé beaucoup plus riche que ce qui avait été rapporté jusqu’à maintenant. / In this thesis, we studied the competition between charge density wave (CDW) and superconductivity in the 1D multiband compound TTF[Ni(dmit)2]2. Resistivity, thermoelectric power and thermal conductivity measurements have been performed under pressure and down to very low temperatures.At low pressure, two charge density waves, detected by X ray measurements and observed in our transverse resistivity measurements, are associated to the 1D bands LUMO and HOMO of the Ni(dmit)2 chains. At 12kbar, the fusion of those two CDWs is associated to the nesting of the LUMO bands with the HOMO ones through the Γ point of the Brillouin zone. At 18 and around 5-6kbar, we observe a commensurability pic due to the commensurate wave vector 2kF=1/3b*.From 2 to 22kbar, we observe a superconductive transition at a critical temperature 0.6K which grow with pressure and is correlated to critical temperature of CDW transition. The superconductivity is associated to the 2D band HOMOII of the Ni(dmit)2 chains. Measurements of the upper critical field gave information about the evolution with pressure of metal-charge density wave regions. They bring out the unconventional nature of the superconductivity and the presence of node in the gap.Thanks to those results, we obtained a more rich Temperature – Pressure phase diagram of the TTF[Ni(dmit)2]2 than the existing one.

L’augmentation de la puissance électrique des composants électroniques pose le problème de la dissipation de la chaleur générée. Les boîtiers électriques doivent permettre la dissipation de cette chaleur en conservant une isolation électrique. La solution retenue pour évacuer la chaleur par transfert thermique consiste en matériaux composites dont les renforts par leur structuration vont améliorer la conductivité thermique. Des composites à matrice polymère ont été choisis pour leur aptitude de mise en forme. La conductivité thermique et l’isolation électrique sont assurées par des charges céramiques. Les méthodes d’homogénéisation donnent des pistes d’amélioration du comportement de composites en fonction des propriétés de leurs constituants, de leur géométrie et de leur distribution. Elles fournissent ainsi une formulation optimisée de matériaux répondant à certaines caractéristiques issues de cahiers des charges émanant du partenaire industriel (Institut de Soudure). La conductivité thermique attendue des composites impose une forte fraction volumique de charges pour compenser le caractère isolant de la matrice polymère. Des méthodes d’homogénéisation ont été développées pour prédire la conductivité thermique effective pour de forts taux de charges (supérieur à 20%) et des contrastes élevés de conductivité thermique. La présence d’une interphase provenant d’incompatibilités fortes entre les composants doit également être modélisée / The increase of electronic components in the integrated circuits and the required electrical power set the question of the dissipation of the heat generated. The electrical box must favor the heat dissipation while maintaining electrical insulation. The solution chosen to transfer the heat is to develop composite materials whose reinforcements by their structure will improve the thermal conductivity. Polymer-based composite materials were chosen for their building ability. Thermal conductivity and electrical insulation are insured by ceramic reinforcements. The homogenization methods allow to improve the composites’ design according to the properties of their constituents, their geometry and their distribution. They thus provide an optimized formulation of materials satisfying the characteristics emanating from the industrial partner (‘Institut de Soudure’). The expected thermal conductivity of the composites imposes a high volume fraction of reinforcements to counterbalance the insulating polymer matrix. Homogenization methods have been developed to provide predictions of effective thermal conductivity for high (greater than 20%) reinforcement rates and high thermal conductivity contrasts. The presence of an interphase resulting from strong physico-chemical incompatibilities between the components must also be modeled

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.

Le comportement d’un fluide confiné dans un milieu poreux peu perméable (micro- and méso-pores) a été étudié en ce qui concerne ses propriétés de diffusion de masse, de conductivité thermique et de thermodiffusion. Pour ce faire des simulations de dynamique moléculaire hors équilibre ont été réalisées sur des mélanges binaires modèles placés dans des conditions thermodynamiques diverses, confinés dans des milieux poreux de géométrie lamellaire de différentes natures (lisse ou atomique, plus ou moins adsorbant) en utilisant l’ensemble __//_ et l’ensemble grand canonique. Les résultats ont montré que les effets du milieu poreux sur les propriétés de transport sont d’autant plus marqués que lataille de pore est petite, que l’adsorption est forte et que la température est basse. Les résultats ont permis d’évaluer quantitativement ces effets. Il a aussi été montré que la rugosité des murs a un impact très important sur le coefficient de diffusion de masse et non négligeable sur celui de thermodiffusion. / The aim of this work was to study how a fluid confined in a low permeability porous medium (micro- and meso-porous) behaves concerning its properties of mass diffusion, thermal conductivity and thermal diffusion. For this purpose, non-equilibrium molecular dynamics simulations have been performed on simple binary mixtures placed in various thermodynamic conditions, confined in a porous medium of lamellar geometry of different types (structure-less or atomistic, more or less adsorbent) in __//_ and grand canonical ensembles. The results show that the effects of porous medium on transport properties are more pronounced when the pore size is small, the adsorption is strong and the temperature is low. The results allowed to evaluate these effects quantitatively. In addition, it has been found that the wall roughness has a major impact on the mass diffusion coefficient and a non negligible one on the thermal diffusion coefficient.