L'ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d'études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l'intérêt de connaître les caractéristiques de l'ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C'est justement dans l'optique de mieux comprendre les phénomènes d'ébullition qui se produisent lors d'un RIA (Accident d'Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l'IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d'une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s'emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l'évaporation du liquide qui l'entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu'un crayon, afin d'améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d'incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L'objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l'ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l'ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d'une feuille métallique d'acier de 50µm d'épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L'emploi d'une alimentation pilotable et très flexible permet d'obtenir des chauffages du métal jusqu'à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d'ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide. / Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known.

Cooling systems that consist of mini-channels (hydraulic diameters in the 0.5 mm to 2.0 mm range) and micro-channels (hydraulic diameters in the 100 m-500 m range) can dispose of extremely large volumetric thermal loads that are well beyond the feasible operating range of conventional cooling methods. Mini/micro-channel systems that utilize boiling fluids are particularly useful due to the superiority of boiling heat transfer mode over single-phase flow convection. Although forced flow boiling in mini and micro-channels has been investigated by several research groups in the past, a verified and reliable predictive method is not yet available. In this study, the capability of a large number of forced flow boiling heat transfer correlations for application to mini channels is examined by comparing their predictions with three experimental data sets. The data all represent recently-published experiments with mini-channels The tested correlations include well-established methods for forced-flow boiling in conventional boiling systems, as well as correlations recently proposed for mini-channels. Based on these comparisons, the most accurate existing predictive methods for mini-channel boiling are identified. The deficiencies of the predictive methods and the potential causes that underlie these deficiencies are also discussed.

Ce travail propose une étude expérimentale de l'ébullition en masse dans une structure poreuse modèle. L'objectif est d'approfondir la compréhension des transferts de chaleur dans un écoulement diphasique avec changement de phase liquide-vapeur en milieu poreux, en liaison avec la problématique de la gestion des accidents graves dans les réacteurs nucléaires. A la suite d'un dysfonctionnement sur le circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire, l'augmentation de la température au sein du cœur provoque l'effondrement des tubes contenant le combustible. Il en résulte la formation d'un lit de débris chaud, assimilable à un milieu poreux dégageant une puissance thermique importante, qui peut être refroidi efficacement par renoyage avec de l'eau. Cela engendre des mécanismes d'ébullition intenses qu'il convient de modéliser proprement pour estimer les chances de succès du renoyage. Notre étude vise à caractériser les échanges de chaleur à l'échelle du pore en fonction des caractéristiques de l'écoulement local. Une partie importante du travail a été consacrée à la mise au point du dispositif expérimental. Le cœur du dispositif est un milieu poreux bidimensionnel formé de cylindres disposés aléatoirement entre deux plaques de céramique. Chaque cylindre est une sonde à résistance de platine, utilisée non seulement pour fournir la puissance thermique désirée mais aussi pour mesurer la température de l'élément : chaque élément chauffant est contrôlé individuellement ou en groupe à l'aide d'un système d'asservissement temps réel. La plaque supérieure étant transparente, la distribution des phases au sein du poreux est obtenue par visualisation haute vitesse. L'acquisition d'images et les mesures thermiques permettent de caractériser l'échange de chaleur effectif local en fonction du régime d'ébullition. Deux configurations principales ont été étudiées. Dans la première, le milieu est initialement saturé en liquide et chauffé jusqu'à l'apparition de la vapeur et l'obtention de différents régimes d'ébullition. Ceci a notamment permis d'établir des courbes de Nukiyama en milieu confiné. Dans la seconde, dite de renoyage, le liquide est injecté dans le milieu sec et surchauffé initialement. Ceci a permis de caractériser la dynamique du renoyage et de visualiser les régimes d'écoulement rencontrés. Les résultats sont discutés en relation avec le modèle macroscopique à non-équilibre thermique local actuellement le plus avancé pour l'étude de ces différentes situations d'ébullition. / This manuscript presents a pore-scale experimental study of convective boiling heat transfer in a two-dimensional porous medium. The purpose is to deepen the understanding of thermohydraulics of porous media saturated with multiple fluid phases, in order to enhance management of severe accidents in nuclear reactors. Indeed, following a long-lasting failure in the cooling system of a pressurized water reactor (PWR) or a boiling water reactor (BWR) and despite the lowering of the control rods that stops the fission reaction, residual power due to radioactive decay keeps heating up the core. This induces water evaporation, which leads to the drying and degradation of the fuel rods. The resulting hot debris bed, comparable to a porous heat-generating medium, can be cooled down by reflooding, provided a water source is available. This process involves intense boiling mechanisms that must be modelled properly. The experimental study of boiling in porous media presented in this thesis focuses on the influence of different pore-scale boiling regimes on local heat transfer. The experimental setup is a model porous medium made of a bundle of heating cylinders randomly placed between two ceramic plates, one of which is transparent. Each cylinder is a resistance temperature detector (RTD) used to give temperature measurements as well as heat generation. Thermal measurements and high-speed image acquisition allow the effective heat exchanges to be characterized according to the observed local boiling regimes. This provides precious indications precious indications for the type of correlations used in the non-equilibrium macroscopic model used to model reflooding process.

Agricultural land releases large amounts of nitrogen and phosphorus to water bodies which causes eutrophication. Creating wetlands on agricultural land is one way to prevent this major issue. However, constructed wetlands are a large emission source of greenhouse gases. The aim of this study was to quantify the CH4 and N2O emissions in 21 constructed wetlands (CWs) around Mälardalen located in mid-Sweden and 19 CWs in the county of Halland along the south-west coast of Sweden and examine if there was any relation between the emissions and the nutrient status. Furthermore, the emission contributed by CH4 ebullition was evaluated. Synoptic water and gas sampling was done during early and late autumn. Floating chambers were deployed in six wetlands and measured CH4 ebullition over a 24-hour period. The diffusive CH4 emissions varied between 0.10–103 mg m-2 d-1 with a mean value of 13 mg m-2 d-1. The N2O emission varied between -0.086–7.8 mg m-2 d-1 with a mean of 1.4 mg m-2 d-1. Significant negative correlation between N2O emission and C:N ratio and a significant positive correlation between N2O emission and N:P ratio was found. No relation between the CH4 emission and total organic carbon (TOC) was found which other studies have been able to prove. Only a weak relation between the CH4 emission and the C:N ratio was found. The ebullition in the six wetlands varied between 0–62 mg m-2 d-1 and accounted for more than 85% of the total CH4 emission in most of the chambers. No significant difference in ebullition was found within the CWs but between the CWs there were found significant differences. The conclusion of this thesis is that CWs in agricultural areas represent a large source of CH4 and N2O emissions and that nutrient status has a major influence of the N2O emissions. Lastly, ebullition seems to be a major pathway for the CH4 emission. / Jordbruksmark släpper ut stora mängder kväve och fosfor till ytvatten vilket orsakarövergödning. Skapandet av våtmarker på jordbruksmark är ett sätt att förhindra detta problem.Dock är anlagda våtmarker stora utsläppskällor av växthusgaser. Målet för den här studien varatt kvantifiera utsläppen av CH4 och N2O från 21 anlagda våtmarker runt Mälardalen beläget imitten av Sverige och 19 anlagda våtmarker i Hallands län längs Sveriges sydvästra kust.Vidare var syftet att undersöka om det fanns någon relation mellan utsläppen ochnäringsstatusen. Fortsättningsvis, utsläppen av CH4 genom ebullition utvärderades. Synoptiskvatten- och gasprovtagning utfördes under tidig höst och senhöst. Flytande kamrar sattes ut isex våtmarker och mätte CH4 ebullition under en 24-timmars period. Utsläppen av CH4genom diffusion varierade mellan 0.10–103 mg m-2 d-1 med ett medelvärde på 13 mg m-2 d-1.Utsläppen av N2O varierade mellan -0.086–7.8 mg m-2 d-1 med ett medelvärde på 1.4 mg m-2d-1. Signifikant negativ korrelation mellan utsläpp av N2O och C:N-kvoten och en signifikantpositiv korrelation mellan utsläpp av N2O och N:P-kvoten hittades. Ingen relation mellanutsläppen av CH4 och totalt organiskt kol hittades vilket andra studier kunnat påvisa. Endasten svag relation mellan utsläppen av CH4 och C:N-kvoten hittades. Ebullitionen i de sexvåtmarkerna varierade mellan 0–62 mg m-2 d-1 och stod för mer än 85 % av det totala CH4utsläppen i de flesta kamrarna. Inga signifikanta skillnader i ebullition kunde hittas inom deanlagda våtmarkerna men dock mellan våtmarkerna. Slutsatsen av den här studien är attanlagda våtmarker på jordbruksmark representerar en stor källa av CH4 och N2O utsläpp ochatt näringsstatusen i anlagda våtmarker har en stor inverkan på utsläppen av N2O. Slutligen,ebullitionen verkar vara en betydande utsläppsväg för CH4.

Une étude expérimentale est menée afin de comprendre le phénomène de nucléation lors de l'ébullition. Cette étude est menée sur des surfaces polies miroir ou ultra-polies en aluminium, l’acétone étant le fluide de travail. L'analyse est réalisée en fonction de la topographie de la surface liée au degré de polissage et en fonction du revêtement de la surface dans le but de modifier sa mouillabilité. L’étude a mis en avant trois catégories de comportement, fonctions de l’état de surface : les surfaces nano lisses, les surfaces nano lisses avec défauts et les surfaces rugueuses. Les bonnes caractéristiques obtenues avec des échantillons nano lisses comportant des défauts aléatoirement répartis ont conduit à la réalisation d’échantillons nano lisses avec des défauts de position et de taille contrôlés. Les résultats obtenus avec ces derniers échantillons présentent les meilleures performances. Une amélioration supérieure à un facteur deux par rapport aux surfaces rugueuses est observée, ce qui représente un gain substantiel. Bien qu’il soit le fondement de la plupart des modèles théoriques, le nucléus à l’origine de la formation d’une bulle n’a jamais été observé expérimentalement car sa taille dépasse la capacité des moyens de mesure traditionnels. Dans ce mémoire, une méthode optique - basée sur la résonnance de plasmons sur des surfaces comportant un réseau de diffraction - est utilisée dans le but d’étudier ce phénomène. Les expériences mettent en évidence la capacité de cette méthode à mesurer la variation de la température pariétale de l’échantillon avant le déclenchement de l’ébullition. Les mesures de résonance plasmon montrent qu’il n’y a pas de modification de la densité du fluide au voisinage de la paroi pour des surchauffes proches du déclenchement de l’ébullition. La nucléation est trop rapide pour être mesurée. Cependant, des premiers nuclei de condensation ont été détectés par cette méthode, ce qui constitue un résultat très prometteur. / An experimental study was conducted in order to understand the phenomenon of nucleation in boiling. This study was done on smooth surface or ultra-smooth surface made of aluminum, the working fluid is acetone. The analysis was realized as a function of the topography of the sample, roughness level, and as a function of nanocoating of the surface in order to modify the wettability. The study classed the sample in three categories, depending on the surface condition: the ultra-smooth surface, the ultra-smooth surface with defect and the rough surface. The good characteristics were obtained for the ultra-smooth sample with randomly distributed defects led to the fabrication of ultra-smooth sample with controlled artificial cavity. The results obtained with these latter samples present the best performances. A two-fold improvement over rough surfaces is observed, representing a substantial gain. Although it is the foundation of most theoretical models, the nucleus at the origin of the formation of a bubble has never been observed experimentally because its size exceeds the capacity of the traditional means of measurement. In this memory, an optical method - based on the resonance of plasmons on surfaces with a diffraction grating - is used to study this phenomenon. The experiments demonstrate the ability of this method to measure the temperature variation in the wall of the sample before boiling. Plasmon resonance measurements show that there is no change in the density of the fluid near the wall for overheating close to the boiling point. The nucleation is too fast to be measured. However, first nuclei of condensation were detected by this method, which is a very promising result.

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.

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur très efficace utilisé dans de nombreux systèmes technologiques comme les centrales nucléaires ou refroidissement de micro-électronique. La prédiction des échanges thermiques par ébullition reste actuellement très délicate, en raison de la complexité du phénomène, malgré des décennies de recherche sur le sujet. Le coefficient de transfert thermique est intimement lié à la dynamique de bulles (nucléation des bulles, croissance et détachement) ainsi qu’à des facteurs tels la densité de sites de nucléation ou les interactions entre bulles voisines et successives. La présente étude porte sur l’ébullition saturée sur un site de nucléation artificiel unique (ou deux sites voisins) sur une paroi en cuivre poli. La dynamique de croissance des bulles a été caractérisée pour différentes surchauffes de paroi et une loi expérimentale de croissance a été établie. Les interactions entre bulles successives issues du même site ont été étudiées, montrant qu’elles peuvent provoquer des oscillations de la bulle en croissance. Les forces agissant sur une bulle en croissance ont été clairement définies, et un bilan de quantité de mouvement a été réalisé à tous les stades de la croissance d’une bulle. La courbure le long de l’interface a été mesurée, ce qui a permis de mieux saisir le mécanisme de détachement de la bulle. L’ascension d’une bulle après son détachement a été analysée, et la vitesse maximale atteinte avant un changement de direction a été estimée et comparée aux modèles existants dans la littérature. L’interaction entre bulles croissant côte à côte a été étudiée. La génération et la propagation d’une onde lors de la coalescence a été mise en évidence. Dans le contexte de travaux de recherche sur des techniques d’intensification des échanges thermiques, cette étude se penche particulièrement sur l’intensification par électrohydrodynamique. Des expériences d’ébullition ont été réalisées en présence de champs électriques, et leurs effets sur les transferts thermiques et sur la dynamique des bulles ont été analysés. Bien que le volume au détachement des bulles et la relation entre la fréquence et la surchauffe reste inchangées, la courbe de croissance des bulles est modifiée. Les bulles sont allongées dans la direction du champ électrique, et cette élongation a été estimée et comparée à d’autres résultats de la littérature. La vitesse d’ascension des bulles est réduite en présence de champs électriques, et les interactions de bulles voisines sont modifiées: il s’avère qu’en présence de champs électriques les bulles ont tendance à se repousser. Ces résultats, obtenus dans un environnement parfaitement contrôlé apportent la preuve que la présence de champs électriques modifie la dynamique des bulles et par conséquents les transferts thermiques associés. / Since boiling heat transfer affords a very effective means to transfer heat, it is implemented in numerous technologies and industries ranging from large power generation plants to micro-electronic thermal management. Although having been a subject of research for several decades, an accurate prediction of boiling heat transfer is still challenging due to the complexity of the coupled mechanisms involved. It appears that the boiling heat transfer coefficient is intimately related to bubble dynamics (i.e. bubble nucleation, growth and detachment) as well as factors such as nucleation site density and interaction between neighbouring and successive bubbles. In order to contribute to the understanding of the boiling phenomenon, an experimental investigation of saturated pool boiling from a single or two neighbouring artificial nucleation sites on a polished copper surface has been performed. The bubble growth dynamics has been characterized for different wall superheats and a experimental growth law has been established. The interaction between successive bubbles from the same nucleation site has been studied, showing the bubble shape oscillations that can be caused by these interactions. The forces acting on a growing bubble has been reviewed, and a complete momentum balance has been made for all stages of bubble growth. The curvature along the interface has been measured, and indications concerning the mechanism of bubble detachment have been suggested. The rise of bubble after detachment has been investigated, and the maximum velocity reached before a change of direction has been estimated and compared to existing models from the literature. The interaction between bubbles growing side by side has been studied: the generation and propagation of a wave front during the coalescence of two bubbles has been highlighted. As boiling heat transfer enhancement techniques are being imagined and developed, this study also focuses on the electrohydrodynamic enhancement technique. Boiling experiments have been performed in the presence of electric fields, and their effects on heat transfer and bubble dynamics have been characterized. Although the volume of the bubbles at detachment and the relationship between the bubble frequency and the wall superheat were not affected, the bubble growth curve was modified. The bubbles were elongated in the direction of the electric field, and this elongation was estimated and compared to other studies from the literature. The rising velocity of the bubble was reduced in the presence of electric field, and the behaviour of bubbles growing side by side was modified, the electric field causing the bubbles to repeal each other. These results, obtained in a fully controlled environment, provide compelling evidence that electric fields can be implemented to alter the bubble dynamics and subsequently heat transfer rates during boiling of dielectric fluids.

There are a lot of uncertainties when it comes to global greenhouse gas (GHG) emissions which affects society’s ability to effectively respond to climate change. Small ponds have been found to potentially play a large role in global warming. More research is needed, however, to determine to what extent they act as sources or sinks for GHGs, and what factors may contribute. The aim of this thesis was to study carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) emissions, and carbon burial in a small pond in Uppsala, Sweden. The pond was a source for both CO2 and CH4, but a sink for N2O. About 50% of CH4 emissions came from ebullition (bubbles). CO2 flux was higher in the vegetated area than in the open water area, no difference was found for CH4 flux. Both CO2 and CH4 flux were higher on colder days, while CH4 ebullition was higher on warmer days. Limited accumulation of CO2 and CH4 occurred under the winter ice coverage. For water chemistry, CO2 flux had the strongest negative relationship with electrical conductivity (EC), nitrate (NO3−) and nitrite (NO2−), and positive with total phosphorous (TP). CH4 flux showed the strongest negative correlation with chlorophyll-a (chl-a) and total nitrogen (TN), and positive with EC and total dissolved solids (TDS). For extracellular enzyme activity, CO2 flux had a very strong positive correlation with β-D-glucosidase (BG), as did CH4 with N-acetyl-β-D-glucosaminidase (NAG). Carbon burial rate was low making the pond a carbon source and inefficient at burying carbon / Det finns många osäkerheter vad gäller globala utsläpp av växthusgaser vilket påverkar samhällets förmåga att effektivt motarbeta den globala uppvärmningen. Små dammar har potentiellt förmågan att ha en stor påverkan på klimatet, men mer forskning behövs för att avgöra i vilken utsträckning de fungerar som källor eller sänkor för växthusgaser, samt vilka faktorer som påverkar deras utsläpp eller förmåga att binda kol. Målet med denna studie var att undersöka utsläpp av koldioxid (CO2), metan (CH4) och lustgas (N2O), samt kolbindning i en liten damm i Uppsala, Sverige. Dammen var en nettoutsläppare av CO2 och CH4, men en nettoupptagare av N2O. CH4 i form av ebullition (bubblor) stod för ungefär 50% av CH4 utsläppen. CO2 flödet var högre i områden med växtlighet jämfört med områden med öppet vatten, för CH4 hittades ingen skillnad mellan dessa områden. Under kallare dagar var CO2 och CH4 flödet högre, medan ebullition av CH4 var högre under varmare dagar. Under vintern skedde minimal ackumulation av CO2 och CH4 under istäcket. För vattenkemin hade CO2 flödet starkast negativ korrelation med elektrisk konduktivitet (EC), nitrat (NO3−) och nitrit (NO2−), och positiv korrelation med totalfosfor (TP). CH4 flödet visade det starkaste negativa förhållandet med klorofyll a (chl-a) och totalkväve (TN), och positiv korrelation med EC och totalt upplösta fasta ämnen (TDS). För extracellulär enzymaktivitet hade CO2 flödet en mycket stark positiv korrelation med β-D-glucosidase (BG), medan CH4 flödet hade en mycket stark positiv korrelation med N-acetyl-β-D-glucosaminidase (NAG). Kolbegravningshastigheten var låg vilket resulterade i att dammen var en kolkälla med låg förmåga att binda kol.

Northern lakes and ponds are abundant and emit large amounts of the potent climate forcer methane to the atmosphere at rates prone to change with amplified Arctic warming. In spite of being important, fluxes from surface waters are not well understood. Long-term measurements are lacking and the dominant and irregular transport mode ebullition (bubbling) is rarely quantified, which complicate the inclusion of lakes and ponds in the global methane budget. This thesis focuses on variations in emissions on both local and regional scales. A synthesis of methane fluxes from almost all studied sites constrains uncertainties and demonstrates that northern lakes and ponds are a dominant source at high latitudes. Per unit area variations in flux magnitudes among different types of water bodies are mainly linked to water depth and type of sediment. When extrapolated, total area is key and thus post-glacial lakes dominate emissions over water bodies formed by peat degradation or thermokarst processes. Further, consistent multiyear measurements in three post-glacial lakes in Stordalen, northern Sweden, reveal that seasonal ebullition, primarily driven by fermentation of acetate, can be predicted by easily measured parameters such as temperature and heat energy input over the ice-free season. Assuming that most water bodies respond similarly to warming, this thesis also suggests that northern lakes and ponds will release substantially more methane before the end of the century, primarily as a result of longer ice-free seasons. Improved uncertainty reductions of both current and future estimates rely on increased knowledge of landscape-level processes related to changes in aquatic systems and organic loading with permafrost thaw, as well as more high-quality measurements, seldom seen in contemporary data. Sampling distributed over entire ice-free seasons and across different depth zones is crucial for accurately quantifying methane emissions from northern lakes and ponds. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>

Les écoulements diphasiques liquide-gaz et liquide-vapeur sont présents dans de nombreuses problématiques industrielles. De fait, ils sont rencontrés dans des configurations diverses, tant en termes de dimensions que d’orientation et présentent des caractéristiques variées. Pour autant, il peut être distingué dans la littérature deux cas limites de modélisation de l’écoulement diphasique liées à son confinement : l’échelle micro et l’échelle macro. Cependant, la caractérisation de la transition entre ces deux échelles reste un enjeu majeur de compréhension de l’écoulement diphasique. De plus, les comportements thermiques en ébullition convective sont impactés par le phénomène de nucléation, fortement influencé par la géométrie de l’application et les conditions de saturations. De ce fait, l’objectif principal de la thèse est de contribuer à la compréhension des écoulements diphasiques adiabatiques et non adiabatiques à une échelle intermédiaire entre les échelles micro et macro, où les comportements tant dynamiques que thermiques sont mal définis. Pour ce faire, dans le travail présent, les effets du confinement et de l’inclinaison de l’écoulement diphasique sur les régimes d’écoulement, les chutes de pression et les échanges thermiques sont étudiés et comparés avec les observations et modèles de la littérature. Une section test inclinable de 1,6 mm de diamètre intérieur a été installée sur le banc d’essais de Charnay (2014), permettant l’étude de l’ébullition convective du R-245fa. Celle-ci permet de visualiser l’écoulement à l’intérieur de l’évaporateur ainsi que d’acquérir simultanément les chutes de pression et le champ de température de paroi extérieure. Pour ce faire, un tube en saphir chauffé par un dépôt d’ITO a été employé. Le champ de température a été obtenu par une procédure d’acquisition et de post-traitement infrarouge. Au préalable, une campagne d’essais a été menée en conditions adiabatiques sur la section de Charnay (2014). La section test présente, quant à elle, a permis deux campagnes d’essais en conditions adiabatiques et en ébullition convective. Des études menées en conditions adiabatiques est apparu un fort effet de l’inclinaison et du confinement sur les régimes d’écoulement ainsi que sur les chutes de pression. L’effet de l’inclinaison s’apparente à ce qui a pu être observé en macro-canal dans la littérature. De plus, l’inclinaison n’affecte que peu les échanges thermiques au regard des incertitudes inhérentes au dispositif infrarouge. Enfin, il est observé un effet de l’inclinaison sur le régime d’assèchement. Dans cette configuration, l’évolution temporelle du champ de température de paroi extérieure apparaît synchrone avec l’évolution dynamique de l’écoulement diphasique. / Liquid-gas and liquid-vapour two-phase flows are encountered in a large range of industrial applications. They are observed in multiple configurations, in terms of dimension and orientation and then have various characteristics. In the literature, it can be distinguished two limit cases of the two-phase flow linked to its confinement: micro and macro-scale. Nonetheless, characterisation of the micro-to-macro scale transition is still a main issue for the comprehension of two-phase flow. In addition, thermal behaviours of flow boiling are affected by the nucleation phenomenon, which is strongly influenced by the geometry of the application and the saturation conditions. The main objective of the thesis is to contribute to the comprehension of adiabatic and diabatic two-phase flows in mini-scale, where the general behaviours are not well definite. In the present study, the effects of confinement and orientation of two-phase flows on flow patterns, pressure drops and heat exchanges are studied and compared with observations and models of the literature. An 1.6 mm inner diameter inclinable test section was installed on the test bench of Charnay (2014), which enabled to study R-245fa flow boiling. This test section enables to visualize the flow directly in the evaporator and the simultaneous acquisition of the pressure drops and the outside wall temperature field. A sapphire tube, heated by a transparent ITO coating, is unemployed to insure the transparency. The temperature field is obtained by an IR image processing. Previously, tests were led on the section of Charnay (2014) in adiabatic conditions. The present test section was used for two series of tests, led in both adiabatic and diabatic conditions. It appeared a strong effect of confinement and orientation on the flow patterns and pressure drops. The effect of the orientation is likely the same that one observed in macro-scale. In addition, the orientation slightly affects heat exchanges in comparison with the uncertainties of the IR dispositive. Finally, it is observed an effect of orientation on dryout flow pattern. In this configuration, the temperature field evolution with time is synchronized with the dynamic evolution of the two-phase flow.