Th.--Sci. phys.--Grenoble--I.N.P., 1977. N°: DE 25.

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Ce travail de thèse porte sur le développement de la méthode des vitesses discrètes pour la résolution numérique de équations cinétiques modèles, BGK, S modèle et ES modèle, qui représentent les différentes approximations de l’équation de Boltzmann. / This work is devoted to the development of the numerical resolution of the kinetic model equations such as BGK, S-model, ES-model by the discrete velocity method. The different approximations of the Boltzmann equation are presented

Une méthodologie pour mesurer la perméabilité plane d’un milieu fibreux par un flux d’air transitoire est développée. Le procédé, basé sur la mesure de pression d’un gaz aux bornes du système, au cours d’un écoulement transitoire, est pratique, propre et rapide, et permet d'éviter l'utilisation d'un débitmètre de gaz et offre la possibilité d'étudier le transport d’un gaz à l'intérieur du milieu fibreux.Le transport du gaz dans un milieu poreux fibreux est décrit par plusieurs modèles suivant les différents régimes d'écoulement. La perméabilité, dépendant uniquement de l’architecture fibreuse, est déterminée par une méthode inverse, en ajustant les résultats de la simulation aux données expérimentales obtenues par une hausse ou une chute de la pression. Les résultats pour la perméabilité visqueuse Kv des tissus sergés des verre/carbone (Kv allant de 10-11 à 10-10 m2) mesurée à l'aide d’un gaz corrèlent bien à la perméabilité mesurée avec des techniques d'injection ou compression utilisant un liquide. L'écart avec la loi de Darcy causé par le glissement du gaz sur les tissus à faible perméabilité (tissus unidirectionnels de carbone: Kv de 10-14 à 10-12 m2) est analysé et un paramètre lié au tissu montre une dépendance avec la perméabilité, avec une tendance similaire au paramètre de Klinkenberg utilisé pour les sols et les roches.Les erreurs expérimentales dues à des dimensions, à l’effet thermique, à la variation de pression, à la manipulation des échantillons, et à du gaz emprisonné sur les bords sont analysés. Il en ressort que la sensibilité des capteurs de pression et des volumes de gaz piégés sur les bords sont les facteurs les plus importants.La mise en place d’une méthode permettant une mesure directe de la perméabilité à l’aide d’un gaz du tenseur 2D de perméabilité est proposée pour les problèmes de gaz piégés sur les bords. Les expériences simulées montrent que les mesures basées sur la pression mesurée à trois positions pourraient fournir des résultats fiables et précis pour des tissus avec des rapports d’anisotropie perméabilité (K1/K2) allant de 0,1 à 10, et avec des orientations principales quelconques. / A methodology to measure in-plane permeability of fibrous media using a transient one dimensional air flow is developed. The method, based on the measurement of gas pressure at the boundaries throughout the transient flow, is convenient, clean and fast, avoids usage of a gas flow meter and offers a way to study the gas transport within fibrous media. The gas transport through fibrous porous media is described by several models to comply with different flow regimes. The permeability, only depending on the fibrous structure, is determined by inverse method, fitting the simulation results to the experimental data obtained using rising or dropping pressure methods. The results of viscous permeability Kv of Glass/Carbon Twill Woven fabrics (viscous permeability Kv ranging from 10-11 to 10-10 m2) measured using gas match well the permeability measured with liquid compression and injection techniques from previous works. The deviation from Darcy's law caused by gas sliding effect on low permeability Carbon Uni-Directional fabrics (Kv from 10-14 to 10-12 m2) is analyzed and a related parameter of fabric material shows a dependence in permeability, with a similar trend as the Klinkenberg sliding parameter in soils and rocks.The experimental errors due to dimensions, thermal effect, pressure variation, sample handling, and trapped gas at boundaries are analyzed. It comes out that the sensitivities of pressure sensors and trapped gas volumes at the boundaries have the most important effects. A design for 2D measurement using gas to obtain 2D permeability tensor in one single test is proposed to avoid the issues of trapped gas at boundaries. Simulated experiments show that the measurements based on pressure measured at three proposed locations could provide robust and accurate results for fabrics of anisotropic permeability ratios (K1/K2) ranging from 0.1 to 10, with various principal permeability direction orientations.

En présence de diffusions multiples, les algorithmes de Monte-Carlo sont trop coûteux pour être employés dans les algorithmes de reconstruction d'images de géométries tridimensionnelles réalistes. Pour des trajectoires de premiers retours, l'approximation de diffusion est communément employée afin de représenter la statistique des chemins aux nombres de Knudsen tendant vers zéro. En formulant des problèmes équivalents sur des trajectoires de premiers passages, l'usage de l'approximation est étendue en un développement théorique. Cette nouvelle formulation assure un bon niveau de précision, sur une large plage de valeurs du nombre de Knudsen en ce qui concerne l'évaluation des moments de la distribution des longueurs des chemins de premier retour. La résolution numérique du modèle formulé est confrontée aux simulations numériques type Monte- Carlo sur des géométries mono-dimensionnelles et un cas tridimensionel ouvrant des perspectives vers une généralisation aux applications réelles. / For multiple scattering, Monte-Carlo algorithms are computationally too demanding for use in image reconstruction of 3D realistic geometries. In the study of first return path, the diffusion approximation is commonly used to represent their statistical behaviour when the Knudsen number tends to zero. With the formulation of equivalent problems for first passage path, the use of the approximation is extended in a theoretical development. The new model provides a good level of accuracy, for a wide distribution of Knudsen numbers when evaluating the moments distribution of the first return paths length. Numerical application of the model is confronted to Monte-Carlo simulations on one dimension geometries and a simple three-dimension case opening perspectives for the generalization to practical applications.

La perméabilité est l'un de paramètres importants pour tous les procédés faisant intervenir des transferts couplés de chaleur et de masse. Sa valeur est directement liée à la morphologie du réseau de pores, clairement double échelle dans le cas du bois. Il existe plusieurs outils d’investigation 3-D par exemple la micro-tomographie voire nano-tomographie pour décrire la morphologie des pores. Néanmoins, ces investigations 3-D échouent pour les plus petits pores dans le bois, qui peuvent avoir une taille largement inférieure au micromètre. Ce travail de thèse utilise l'effet du libre parcours moyen du gaz sur la perméabilité apparente pour identifier la taille des pores utilisés par le cheminement du fluide.Une approche équilibrée entre expérimentation et modélisation est proposée. Dans la première partie du travail, nous avons développé un dispositif original destiné à mesurer la perméabilité apparente sur une large plage de niveau de pression moyenne. Ce dispositif ne comporte pas de débitmètre : le flux massique est simplement obtenu par la relaxation de la différence de pression entre deux réservoirs de volume connu.Ce dispositif a permis de mesurer la perméabilité apparente en fonction de la pression moyenne pour différents matériaux. Les valeurs obtenues de perméabilité intrinsèque sont en bon accord avec les publications précédentes.L'effet de la pression moyenne sur la perméabilité apparente a été analysé pour identifier des paramètres structuraux des milieux poreux. Partant d'un agencement série/parallèle de pores, les paramètres structuraux sont identifiés par méthode inverse en tirant profit du changement de régime d’écoulement avec le nombre de Knudsen (du régime de Darcy vers le régime de glissement moléculaire lorsque le nombre de Knudsen passe de zéro à l’infini).Cette approche a été validée avec des membranes à pore monodisperse grâce à une observation en microscopie électronique à balayage. Les paramètres ont ensuite été identifiés sur des échantillons de bois, selon différentes directions et sur des matériaux à base de bois. Ils confirment certaines données de la littérature, et apportent un éclairage nouveau, notamment sur les chemins de migration transverse chez le hêtre. / Permeability is one of the important parameters for all processes involving coupled heat and mass transfer. Its value is directly related to the morphology of the pore network, clearly a dual scale organisation in the case of wood. Nowadays, several 3D investigative tools exist, such as micro-tomography or nano-tomography. However, these 3-D investigations fail for the smallest pores active in fluid flow in wood, due to their submicron size. The present work takes advantage of the effect of the mean free path on the apparent gaseous permeability to identify the pore size of the pore network.A balanced approach between experimentation and modelling is proposed. In the first part of the work we have developed an original device for measuring the apparent permeability over a wide range of average pressure. This device was conceived to work without flowmeter: the mass flow is obtained by the relaxation of the pressure difference between two tanks. This device was used to measure the apparent permeability as a function of the average pressure for different materials.The intrinsic permeability values obtained are in good agreement with literature data.The effect of the average pressure on the apparent permeability was analysed to identify structural parameters of the porous media. Starting from a serial / parallel arrangement, the structural parameters are identified by inverse method taking advantage of the dependence of the flow regime with Knudsen's number (from Darcy's regime to pure molecular slip regime when Knudsen's number shifts from zero to infinity).This approach was validated with a monodisperse membrane, whose pore size was determined using a scanning electron microscopy. Structural parameters were then identified on wood samples, measured along different directions and on wood-based materials. They confirm literature data and bring new outcomes, namely regarding the fluid pathway in beech in radial and tangential directions.

L'objectif de cette thèse est la préparation d’aérogels biosourcés ayant des propriétés de super-isolation thermique. Pour cela, nous avons choisi de développer de nouveaux aérogels à base de nanofibres de cellulose (NFC). Les aérogels ont été préparés par lyophilisation. Dans un premier temps, une analyse des paramètres expérimentaux jouant un rôle sur la morphologie et les propriétés physico-chimiques des aérogels a été réalisée afin d’obtenir les meilleures propriétés d’isolation thermique. Avec une suspension de NFC à 2% en masse, sans ajout de sels et sans faire varier le pH, une lyophilisation réalisée dans des moules d’aluminium à une température de -80°C a permis d’obtenir des aérogels ayant une conductivité thermique de 0,024 W/m.K. Afin de diminuer cette conductivité thermique, nous avons choisi de réduire la taille des pores pour obtenir un effet Knudsen. Pour cela, une nouvelle technique de séchage a été proposée : la lyophilisation par pulvérisation. Les aérogels préparés dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment avec cette technique ont des propriétés thermiques super-isolantes (0,018 W/m.K) grâce à la nano-structuration du réseau poreux. Finalement, un nouveau dispositif expérimental a été développé pour caractériser plus finement les propriétés thermiques des aérogels. C’est un dispositif transitoire impulsionnel qui permet d'estimer simultanément la contribution de la conduction solide et gazeuse, l'effet radiatif et la diffusivité thermique grâce à un modèle théorique simple. Ce dispositif permettra d’approfondir l’étude complexe du transfert thermique à travers des matériaux poreux semi-transparents tels que les aérogels. / The objective of this thesis is the preparation of renewable aerogels having thermal super-insulating properties. To do it, we designed new aerogels from nanofibrillated cellulose (NFC) by freeze-drying. This technique is simple and has the advantage of not using organic solvents. First of all, the parameters playing a role on the aerogel morphology and physico-chemical properties of the aerogels were analyzed to get the best thermal insulating properties. Using 2 wt% NFC suspensions, without addition of salts, keeping the initial pH, the obtained freeze-dried aerogels in alumina molds at -80 °C have a thermal conductivity of 0.024 W/m.K. In order to reduce the pore size and to improve the thermal insulating properties by Knudsen effect, a new drying technique was proposed: the spray freeze-drying. Aerogels prepared in the same experimental conditions with this technique have thermal super-insulating properties (0.018 W/m.K) thanks to the nanostructuration of the porous network. Finally, a new device was designed to characterize more precisely the thermal properties of aerogels. This is an impulsive transient device, which can estimate simultaneously the contribution of solid and gas conduction, the radiative effect and thermal diffusivity using a simple theoretical model. This device will allow studying complex heat transfer through porous semi-transparent materials such as aerogels

Cette thèse présente une étude numérique et expérimentale d’écoulements gazeux raréfiés confinés, induits par gradients thermiques. L’écoulement d’un gaz raréfié peut en effet être généré en appliquant uniquement un gradient tangentiel de température le long d'une paroi. Ainsi, sans gradient initial de pression, le gaz peut se déplacer de la région froide vers la région chaude. Ce phénomène, appelé transpiration thermique, est à la base du fonctionnement des pompes dites de Knudsen, capables de générer un pompage du gaz sans utiliser de pièces mécaniques mobiles. L’apport principal de ce travail est relatif à l’investigation numérique de l’écoulement de transpiration thermique dans trois nouvelles configurations de pompe Knudsen. Dans ce but, une méthode numérique de simulation d’écoulements dans le régime de glissement a été développée ; elle implémente des conditions aux limites de saut de vitesse et de température spécifiques dans un code CFD commercial. Parallèlement, un code DSMC a été mis en œuvre pour étudier des écoulements plus fortement raréfiés dans les géométries les plus complexes. Des écoulements de transpiration thermique générés dans des canaux courbés, dans des canaux convergents/divergents ou entre deux surfaces spécialement micro-texturées ont ainsi été étudiés. D’autre part, l’analyse expérimentale d’un écoulement de transpiration thermique dans un microtube de section circulaire a été réalisée sur un nouveau banc d’essais conçu pour être adaptable à diverses géométries de canaux ou de pompes Knudsen. / This thesis presents a numerical and experimental analysis of internal rarefied gas flows induced by temperature fields. In rarefied gases, a flow can be generated by solely applying a tangential temperature gradient along a wall: without any initial pressure gradient, the gas macroscopically moves from the cold toward the hot region. This phenomenon is the so-called thermal creep or thermal transpiration effect. It is the main operating principle of the Knudsen pump, which can generate gas pumping without the need of any moving parts. The main aspect of this work is centered on numerical investigations of thermal transpiration flows in three new possible configurations of Knudsen pumps. For that goal, a numerical model for slip flows has been developed in which the appropriate slip boundary conditions are implemented in a commercial CFD code and a DSMC code has been adapted for studying transition flows in complex geometries. The pumping effect of curved-channel Knudsen pumps, the thermal transpiration flows through tapered channels and between two ratchets surfaces at different uniform temperatures have been investigated. In addition, an experimental study of thermal transpiration flow through a single micro-tube has been carried out on a new experimental set-up designed to be adaptable for testing thermally driven flows through various kinds of microchannels or generated by autonomous Knudsen compressors

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A methodology to measure in-plane permeability of fibrous media using a transient one dimensional air flow is developed. The method, based on the measurement of gas pressure at the boundaries throughout the transient flow, is convenient, clean and fast, avoids usage of a gas flow meter and offers a way to study the gas transport within fibrous media. The gas transport through fibrous porous media is described by several models to comply with different flow regimes. The permeability, only depending on the fibrous structure, is determined by inverse method, fitting the simulation results to the experimental data obtained using rising or dropping pressure methods. The results of viscous permeability Kv of Glass/Carbon Twill Woven fabrics (viscous permeability Kv ranging from 10-11 to 10-10 m2) measured using gas match well the permeability measured with liquid compression and injection techniques from previous works. The deviation from Darcy's law caused by gas sliding effect on low permeability Carbon Uni-Directional fabrics (Kv from 10-14 to 10-12 m2) is analyzed and a related parameter of fabric material shows a dependence in permeability, with a similar trend as the Klinkenberg sliding parameter in soils and rocks.The experimental errors due to dimensions, thermal effect, pressure variation, sample handling, and trapped gas at boundaries are analyzed. It comes out that the sensitivities of pressure sensors and trapped gas volumes at the boundaries have the most important effects. A design for 2D measurement using gas to obtain 2D permeability tensor in one single test is proposed to avoid the issues of trapped gas at boundaries. Simulated experiments show that the measurements based on pressure measured at three proposed locations could provide robust and accurate results for fabrics of anisotropic permeability ratios (K1/K2) ranging from 0.1 to 10, with various principal permeability direction orientations.