Dans la présente étude, la conductivité thermique et le module d'élasticité de revêtementsd’YPSZ élaborés par projection plasma ont été prédits par modélisations numériques 2D et3D de type différences finies et éléments finis.L'influence de la résolution d'image, de la taille et de la valeur du seuil sur les propriétésprédites du revêtement a été étudiée. En outre, les effets de la méthode numérique et du typede condition aux limites ont été étudiés. En particulier, la quantification de l'effet Knudsen(effet de raréfaction) sur le transfert de chaleur à travers une structure poreuse a été réaliséepar modélisation numérique en combinaison avec l'analyse d'image. Les conductivitéseffectives obtenues par modélisation 3D s'avèrent plus élevées que celles obtenues en 2D, etaussi en meilleur accord avec les résultats mesurés. Une corrélation 2D/3D a été trouvéepour la modélisation de la conductivité thermique : cette corrélation permet de prédire lesvaleurs 3D à partir des valeurs calculées en 2D. / In the present study, the thermal conductivity and elastic modulus of thermal spray YPSZcoatings were predicted by 2D and 3D finite differences and finite elements numericalmodeling based on cross-sectional images.The influence of the image resolution, size and threshold on the predicted properties of thecoating was studied. Moreover, the effects of the numerical method and of the boundarycondition were investigated. In particular, the quantification of the Knudsen effect(rarefaction effect) on the heat transfer through a porous structure was realized by numericalmodeling in combination with image analysis. The predicted thermal conductivities obtainedby 3D modeling were found to be higher than those obtained by 2D modeling, and in betteragreement with the measured results. A 2D/3D correlation was sucessfully found for themodeling of thermal conductivity: this correlation allows predicting 3D computed valuesfrom 2D ones.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η περαιτέρω κατανόηση και ποσοτική σύνδεση φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε πορώδη μέσα με τα αντίστοιχα φαινόμενα στην κλίμακα λίγων πόρων. Η επέκταση των αποτελεσμάτων από την κλίμακα πόρου στην κλίμακα του πορώδους μέσου δεν είναι προφανής και για το λόγο αυτό η τοπολογία και μορφολογία της πορώδους δομής αντιμετωπίζονται εδώ με δίκτυα πόρων, με έμφαση στα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις διασταυρώσεις, αλλά και με ψηφιακές αναπαραστάσεις της δομής με βάση μικροφωτογραφίες δείγματος του υλικού. Συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή εξετάζεται η διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε δίκτυα πόρων, παρουσιάζεται μία καινούργια τεχνική ανακατασκευής ανομοιογενών πορωδών υλικών και αναπτύσσεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ροής αερίων δια μέσου ανακατασκευασμένων πορωδών υλικών στη μεταβατική περιοχή ροής όπου η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων ενός αερίου είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των πόρων οπότε και παύει να ισχύει η συνήθης παραδοχή του συνεχούς. Η επίδραση της ανάμειξης μέσα σε πόρους ή στις διασταυρώσεις πόρων/ρωγμών στη διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε πορώδη μέσα ερευνήθηκε μέσα από την ανάπτυξη και χρήση διαφορετικών τεχνικών προσομοίωσης με έμφαση στις λεπτομέρειες της ροής και της μεταφοράς μάζας στην περιοχή της διασταύρωσης. Βρέθηκε ότι μία νέα μέθοδος τυχαίου περιπάτου αναπαράγει με καλή ακρίβεια το συντελεστή διασποράς σε χαμηλές και μεσαίες τιμές του Peclet, χάρη στο γεγονός ότι λαμβάνει υπ’ όψη την ανάντι της ροής κίνηση των σωματιδίων και τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής μέσα σε κάθε κλάδο. Παράλληλα αναπτύχθηκε μία καινοτόμος μέθοδος ανακατασκευής πορωδών μέσων. Η τεχνική στηρίζεται στο διφασικό πρότυπο δικτύου Boltzmann, το οποίο περιγράφει την εξέλιξη συστημάτων υγρού-αερίου υπό την επίδραση της διεπιφανειακής τάσης. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία συσχετισμένων δομών, όπου τόσο η μορφολογία του πορώδους μέσου όσο και ο βαθμός συσχέτισής του καθορίζονται από τις λειτουργικές παραμέτρους του προτύπου. Η τεχνική εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικό δείγμα εδάφους με αφετηρία την πληροφορία που δίνεται από μία μικροφωτογραφία μίας στατιστικά χαρακτηριστικής τομής του. Τέλος, μελετήθηκε η ροή αερίων σε πορώδη μέσα, σε πεπερασμένους αριθμούς Knudsen, όπου η μέση διάμετρος των πόρων είναι της ίδιας τάξης με τη μέση ελευθέρα διαδρομή των μορίων του αερίου. Η μελέτη έγινε με τη μεσοσκοπική μέθοδο DSMC. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της μεθόδου και της παρούσας υλοποίησής της έγινε μέσω της μελέτης της ισοθερμοκρασιακής ροής αερίου μεταξύ παραλλήλων πλακών. Παράλληλα υπολογίστηκε το δυναμικό ιξώδες αερίου σε συνθήκες υψηλής αραίωσης και παρουσιάστηκε η εξάρτησή του από τον αριθμό Knudsen. Βρέθηκε ότι τα αποτελέσματα προσεγγίζονται ικανοποιητικά από μία αναλυτική έκφραση τύπου Bosanquet που συσχετίζει το αποτελεσματικό ιξώδες με την τιμή του στο όριο του συνεχούς και με τον αριθμό Knudsen. Επιπρόσθετα μελετήθηκε για πρώτη φορά με τη μέθοδο DMSC η ροή αερίων σε υπολογιστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές. Επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο του Klinkenberg και η γραμμική εξάρτηση του συντελεστή διαπερατότητας από την αντίστροφη πίεση. Τέλος χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα υπολογισμού της ροής στη μεταβατική περιοχή μέσω ανάπτυξης προτύπου δικτύου Boltzmann, κατάλληλα τροποποιημένου για ροές σε συνθήκες αραίωσης. Το πρότυπο δοκιμάστηκε τόσο στην περίπτωση ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών όσο και σε ροή σε πορώδη μέσα όπου η συμφωνία με τη μέθοδο DSMC βρέθηκε πολύ ικανοποιητική. / The aim of the present study is the further understanding and quantification of transport phenomena in porous media and their connection with the phenomena in the scale of a few pores. The extension of the results from the pore-scale to the scale of the porous medium is not obvious and for this reason the representation of the porous medium is treated both with pore-networks and digital reconstruction. Specifically, in this study it is examined the dispersion of molecules of a solute in porous networks, a new reconstruction technique is presented for heterogeneous granular materials and also a methodology is developed for the study of gas flow in reconstructed porous media in the transient regime, where the mean free path of the gas molecules is comparable with the characteristic length of the pores and thus the continuum description is no longer valid. The effect of the mixing in the pores or the junctions of the pores on the dispersion of molecules of a solute in porous media is examined through various simulation techniques with emphasis on the details of the flow and mass transport in the area of the junction. It was found that a new random-walk technique is reproducing with good accuracy the dispersion coefficient for low and average values of the Peclet number, due to the fact that it takes into account the backwards, with respect to the main direction of the flow, movement of the molecules and the different residence time in each branch. Furthermore, a new reconstruction technique was developed for porous media. The technique is based on 2-phase lattice Boltzmann model, which describes the evolution of a gas-liquid system under the influence of the surface tension. This mechanism leads to the creation of correlated structures, where the morphology of the porous medium and the correlation factor are determined by the operating parameters of the model. The technique was applied successfully for the reconstruction of a real soil sample, starting from the information that is solely given from a microphotograph of a statistically adequate section of the material. Finally, the gas flow through porous media was examined at moderate Knudsen numbers, where the mean diameter of the pores is of the same order of magnitude with the mean free path of the gas molecules. The study was done mainly with the mesoscopic DSMC technique. The credibility of the technique was examined through the study of the isothermal gas flow through parallel plates. Additionally, the dynamic viscosity of a gas under rarefaction conditions was calculated and its dependence on the Knudsen number was shown. It was found that the results are approximated satisfactorily with an analytical Bosanquet-type equation that relates the effective viscosity with its value at the continuum limit and with the Knudsen number. Furthermore, it was studied for the first time with the DSMC method the gas flow through reconstructed porous media. The Klinkenberg effect was confirmed and the linear dependence of the permeability coefficient on the inverse pressure was shown. Finally an alternative approach was used for the calculation of gas flow though porous media in the transient regime through the development of a lattice Boltzmann model suitably modified for rarefied gas flows. The model was tested for the case of flow through parallel plates as well as for the case of flow through porous media and the agreement with the DSMC method was very satisfactory.

Ce travail de thèse porte sur le développement de la technique de Vélocimétrie par Marquage Moléculaire (Molecular Tagging Velocimetry - MTV) pour l’étude expérimentale des micro-écoulements gazeux internes. Les micro-écoulements gazeux sont des écoulements raréfiés, caractérisés par un nombre de Knudsen non négligeable. L’analyse de la littérature montre un besoin crucial de données expérimentales de grandeurs locales relatives aux micro-écoulements gazeux. Ces données permettraient une discussion pertinente de la précision et des limites d’applicabilité des différents modèles théoriques proposés dans la littérature pour l’étude du régime de glissement, régime raréfié le plus souvent rencontré en microfluidique gazeuse. Dans cette optique, un banc d’essais expérimental a été développé pour la mesure de champs de vitesses par MTV. La technique consiste à suivre des molécules traceuses d’acétone introduites dans le gaz en écoulement et qui deviennent phosphorescentes lorsqu’elles sont excitées par une source lumineuse UV. Les différents compromis pris en compte pour le développement de ce banc (choix du traceur et du matériau, conception du canal instrumenté,…), ainsi que les techniques d’acquisition et de traitement de signal sont détaillés dans le manuscrit. L’analyse expérimentale commence par une étude du signal de phosphorescence de l’acétone. Ensuite, la technique de vélocimétrie par marquage moléculaire est validée par la mesure de champs de vitesses dans des écoulements laminaires confinés en régime non raréfié. Les résultats obtenus sont comparés à des profils de vitesse théoriques d’un écoulement de Poiseuille à pression atmosphérique. Enfin, les premiers résultats obtenus à basse pression sont présentés et commentés. La détection du signal à un niveau de pression de 1kPa est encourageante et offre de nombreuses perspectives pour l’exploration d’écoulements en régime raréfié / This thesis focuses on the development of Molecular Tagging Velocimetry (MTV) technique for the experimental analysis of internal microflows of gases. Gaseous microflows are rarefied flows characterized by a non-negligible Knudsen number. A literature review highlights a crucial need of experimental data on velocity fields within gaseous microflows. These data are required for a relevant discussion on the validity and limits of applicability of the different boundary conditions proposed in the slip flow, which is a regime often encountered in gaseous microsystems. An experimental setup has been designed for analyzing by MTV the velocity distribution in microchannels. The technique consists in detecting the displacement of acetone molecules, introduced as tracers in a gas flow; these molecules exhibit phosphorescence once excited by a UV light source. The various compromises taken into account for the setup design (choice of tracer, laser, channel material and design, camera and intensifier…), as well as the acquisition and processing techniques are detailed in the manuscript. The experimental analysis starts with a study of the acetone phosphorescence signal. Then, the MTV technique is validated by velocity field measurements in internal laminar flows through a rectangular minichannel in non-rarefied regime. The obtained results are successfully compared to the theoretical velocity profile of a Poiseuille flow. Finally, preliminary results obtained at lower pressures are presented and commented. The signal detection at a pressure level as low as 1 kPa is encouraging and draws various perspectives for the exploration of rarefied regimes

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Accuracy in the effective diffusion coefficient of the gas diffusion layer (GDL)/microporous layer (MPL) is important to accurately predict the mass transport limitations for high current density operation of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. All the previous studies regarding mass transport limitations were limited to pure GDLs, and experimental analysis of the impact of the MPL on the overall diffusion in the porous GDL is still lacking. The MPL is known to provide beneficial water management properties at high current operating conditions of PEM fuel cells but its small pore sizes become a resistance in the diffusion path for mass transport to the catalyst layer. A modified Loschmidt cell with an oxygen-nitrogen mixture is used in this work to determine the effect of MPL on the effective diffusion coefficients. It is found that Knudsen effects play a dominant role in the diffusion through the MPL where pore diameters are less than 1 μm. Experimental results show that the effective diffusion coefficient of the MPL is only about 21% that of its GDL substrate and Knudsen diffusion accounts for 80% of the effective diffusion coefficient of the GDL with MPL measured in this study. No existing correlations can correlate the effective diffusion coefficient with significant Knudsen contribution.

Accuracy in the effective diffusion coefficient of the gas diffusion layer (GDL)/microporous layer (MPL) is important to accurately predict the mass transport limitations for high current density operation of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. All the previous studies regarding mass transport limitations were limited to pure GDLs, and experimental analysis of the impact of the MPL on the overall diffusion in the porous GDL is still lacking. The MPL is known to provide beneficial water management properties at high current operating conditions of PEM fuel cells but its small pore sizes become a resistance in the diffusion path for mass transport to the catalyst layer. A modified Loschmidt cell with an oxygen-nitrogen mixture is used in this work to determine the effect of MPL on the effective diffusion coefficients. It is found that Knudsen effects play a dominant role in the diffusion through the MPL where pore diameters are less than 1 μm. Experimental results show that the effective diffusion coefficient of the MPL is only about 21% that of its GDL substrate and Knudsen diffusion accounts for 80% of the effective diffusion coefficient of the GDL with MPL measured in this study. No existing correlations can correlate the effective diffusion coefficient with significant Knudsen contribution.

No description available.

Zeolite membranes have great potential in gas separation applications because of their unique selective properties. The main challenge is in synthesizing defect-free zeolite membranes. In this study, we synthesized silicalite-1 zeolite membranes on ceramic supports composed of Al2O3 and TiO2 using the pore-plugging method. We investigated the effect of the fill-level in the autoclave during the synthesis on the membrane performance. In particular, we were interested in determining the conditions at which the defects' contribution to the total transport is minimized. We adopted and further developed the approach proposed by Carter (2019) to quantify the permeance contribution through defects. Comparing the membrane performance before and after calcination, we proposed several modifications to the original analysis of Carter (2019). Knowing the defect transport contribution, we determined the corrected diffusivity, an intrinsic property of zeolite crystals at a given temperature, of several adsorbed gases on silicalite-1 crystals. The defect's contribution decreased as the autoclave fill-level increased from 94 to 98%. A further increase in the autoclave fill-level introduced more defects and caused the autoclave lid to rupture. Despite the differences in the membranes' performance arising from the autoclave fill-level, the corrected diffusivities of CO2, CH4, and N2 in silicalite-1 showed minimal variation from membrane to membrane. This proves the validity of the proposed characterization method. Moreover, the reported corrected diffusivities are comparable to the literature's values, found using other characterization methods. However, none of the previously used methods is as simple and straightforward as the one we further developed in this study.

Des gaz vont être générés par corrosion des conteneurs de déchets radioactifs au niveau d'un stockage en couche géologique profonde. Une bulle de gaz se crée et monte en pression. Si le gaz pénètre difficilement la formation géologique, l'augmentation de pression pourra la fissurer et créer des chemins préférentiels à la migration de radionucléides. Les argilites du Callovo-Oxfordien sont ici caractérisées. Un dispositif permettant de mesurer de très faibles perméabilités à l'hydrogène/hélium a été utilisé couplé au Dusty Gas Model. Les argilites proches de la saturation ont une porosité accessible au gaz inférieure à 1% voire 0,1% de la porosité totale. A partir de l'étude de l'effet Knudsen cette porosité pourrait être due à des pores de 50 à 200 nm de diamètre mis en évidence lors de la caractérisation des réseaux. En intégrant ces résultats dans un modèle opérationnel de l'ANDRA, la pression maximale atteinte au sein d'une alvéole de stockage serait de 83 bar.