Cette thèse synthétise les travaux récents de l’auteur sur l’utilisation de résonateurs mécaniques pour la détermination simultanée de la viscosité et de la masse volumique de liquides. Ces travaux ont été réalisés entre 2010 et 2015 dans le cadre d’une thèse en cotutelle entre l’Institut de Microélectronique et des Microcapteurs de l’Université Johannes Kepler à Linz en Autriche et le Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système de l’Université de Bordeaux en France. Dans des études précédentes effectuées sur ce sujet par les groupes des deux laboratoires, le concept de l’utilisation de résonateurs mécaniques actionnés et mesurés électriquement pour la détermination de la viscosité et de la masse volumique deliquide avait été établi et validé. Ces travaux antérieurs ont montré que la fréquence de résonance et le facteur de qualité de résonateurs immergés dépendent à la fois de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant.L’intérêt d’utiliser de tels microcapteurs résonants vient du fait qu’il est possible de les utiliser in-situ,notamment pour des applications industrielles. Pour ce type d’applications, il est important que les capteurs aient entre autre une bonne résistance physique, une bonne stabilité à long terme, une bonne fiabilité, ainsi qu’une bonne précision de mesure. Pour satisfaire ces exigences et compte tenu des résultats des travaux antérieurs, les objectifs principaux de cette thèse étaient (1) la mise en oeuvre de configurations de mesure robustes offrant une bonne stabilité à long terme et une bonne précision de mesure, ce qui nécessite une faible sensibilité à la température, (2) la mesure simultanée de la viscosité et de la masse volumique avec un seul capteur et (3) la modélisation et la comparaison des performances des différents dispositifs mis au point et testés. Ces trois objectifs ont été atteints en combinant des approches expérimentales et théoriques (hydrodynamique, mécanique du solide et électrodynamique). [...] / This thesis summarizes the author’s recent work on the topic of mechanical resonators for liquidviscosity and mass density sensing, which were achieved between 2010 and 2015 in the course of aninternational joint doctorate program performed at the Institute for Microelectronics and Microsensorsat the Johannes Kepler University Linz, Austria and the Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème in Bordeaux, France. In previous studies performed by work groups of both laboratories,the concept of using electrically actuated and read-out mechanical resonators for the determination ofliquids’ viscosities and mass densities has been established and elaborated. These works showed that theresonance frequencies and quality factors of immersed resonators are affected by the liquids’ viscositiesand mass densities, respectively. The investigated concepts included devices using structured polymeror wet-etched new silver sheets as well as micro-machined silicon and screen-printed PZT resonators.The motivation for investigating and developing such miniaturized resonators was formed, amongstothers, by their capability for in-line, in-situ and handheld-devices for laboratory as well as for industrialapplications. Especially for the latter, physical robustness, long-term stability and reliability,as well as accurate measurement results are basic requirements. To satisfy these requirements andconsidering the results and insights of earlier works, the objectives of this thesis were first, implementingrobust measuring setups featuring long-term stability and high measurement accuracy, where thelatter furthermore requires low cross-sensitivity to temperature. Second, investigating the capabilityof measuring both, a liquid’s mass density and viscosity with a single device as well as providing anestimate of achievable measurement accuracies for both quantities. And third, enabling the modelingof the performance of different viscosity and mass density sensors on the one side and their comparisonon the other side. These three specifications were accomplished by following mainly experimental approachesand investigations but also by elaborating the underlying theory of hydrodynamics, structuralmechanics, and electrodynamics. [...] / Die vorliegende Dissertation fasst die rezenten Forschungsergebnisse des Verfassers im Bereich mechanischerResonatoren für Viskositäts- und Dichtesensorik zusammen, welche zwischen 2010 und 2015 imRahmen eines international joint doctorate programs am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorikder Johannes Kepler Universität Linz, sowie am Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème der Université de Bordeaux erreicht wurden. In den Vorarbeiten von Arbeitsgruppen beiderInstitute wurden bereits Konzepte für elektrisch angeregte und ausgelesene mechanische Resonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten erarbeitet und umgesetzt. Hierbei konntegezeigt werden, dass die Resonanzfrequenz und Güte eingetauchter Resonatoren abhängig sindvon Viskosität und Dichte der jeweiligen Flüssigkeiten. Die dabei untersuchten Konzepte beinhaltetenstrukturierte Polymerfolien, nass-chemisch geätzte Neusilberbleche, mikromechanisch hergestellte Siliziumstrukturen,sowie siebgedruckte PZT Resonatoren.Die Motivation zur Untersuchung und Entwicklung solcher miniaturisierter Resonatoren resultiert unteranderem aus deren Anwendbarkeit für Inline-, Insitu- und Handgeräte für Labor- bzw. industrielle Anwendungen.Besonders für Letztere sind Robustheit, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit, aber auchpräzise Messergebnisse Grundvoraussetzung. Um den Anforderungen der Ergebnisse und Erkenntnisseder zuvor genannten Arbeiten gerecht zu werden, wurden folgende Ziele für diese Dissertationdefiniert. Erstens, die Entwicklung robuster, langzeitstabiler Messaufbauten zur Erreichung präziserMessergebnisse, wodurch eine geringe Temperaturquerempfindichkeit als weitere Bedingung aufgestelltwurde. Zweitens sollte untersucht werden ob und mit welcher Genauigkeit sowohl Viskosität als auchDichte mit einem einzigen Instrument gemessen werden können. Drittens, sollte einerseits das Verhaltenverschiedener Viskositäts- und Dichtesensoren modelliert bzw. deren Vergleich ermöglicht werden.Basierend auf einer vorwiegend experimentellen Herangehensweise und unter Miteinbeziehung der zugrundeliegendenTheorien von Strömungs- und Strukturmechanik sowie der Elektrodynamik, konntendie o.g. Anforderungen erfüllt werden. [...]

Ces travaux de thèse tentent de répondre à un besoin de surveillance fiable et durable de la concentration d’hydrogène dans un environnement radioactif. Dans ces travaux, nous proposons l’étude et le développement d’un capteur physique d’hydrogène à base de micropoutres résonantes en silicium. La particularité de ce type de capteur vient du fait qu’il ne contient pas de couche sensible et est donc moins sujet au vieillissement que les capteurs chimiques à base de couche sensibles. Compte tenu de la faible masse volumique de l’hydrogène par rapport à celle de l’air et de la bonne sensibilité des micropoutres résonantes aux propriétés physiques du gaz environnant (masse volumique et viscosité), l’utilisation de micropoutres résonantes pour le suivi de la concentration de l’hydrogène dans l’air est tout à fait possible. L’objectif de ces travaux de recherche est l’amélioration de la sensibilité et de la limite de détection de ce type de capteur. Tout d’abord, une étude des méthodes de suivi de faibles variations de la fréquence de résonance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer la méthode ayant le meilleur rapport signal sur bruit, permettant ainsi d’améliorer la limite de détection en termes de variation de fréquence de résonance. Dans une seconde partie, une étude de l’influence de la géométrie et des dimensions sur la sensibilité vis-à-vis des variations de la masse volumique du gaz environnant a été réalisée. A l’issu de cette étude, des critères géométriques et dimensionnels permettant l’optimisation de la sensibilité ont été dégagés. D’autres aspects visant à améliorer les performances (sensibilité et limite de détection) de ces capteurs ont été étudiés, comme l’influence du courant d’actionnement et des tensions de polarisation (actionnement électromagnétique et détection piézorésistive) et l’utilisation des modes supérieurs de résonance. Par ailleurs, l’étude de l’influence des paramètres environnementaux (température et pression) sur le comportement des micropoutres résonantes a été établie. / These PhD research tries to meet a need for a reliable and a sustainable hydrogen concentration monitoring in a radioactive environment. In this work, we propose the study and development of resonant silicon microcantilever-based physical hydrogen sensors. The special feature of this sensor is that it does not contain any sensitive and consequently the reliability is improved, compared to devices with sensitive coating. In view of the low density of hydrogen compared to that of air, and the good sensitivity of a resonant microcantilever to the physical properties of the surrounding gas (density and viscosity), the use of vibrating uncoated microcantilever for monitoring hydrogen concentration in air is therefore possible. The objective of this research is to improve the sensitivity and the limit of detection of such sensors. First of all, a study of methods for monitoring small changes in resonant frequency has been conducted in order to determine the method having the best signal to noise ratio, thus, allowing improvement of its resolution in terms of resonant frequency variation measurement. In a second part, a study of the influence of microcantilever geometries and dimensions on their sensitivity to the gas density variation has been performed. As a result, geometrical and dimensional criteria for optimizing the sensitivity to the gas density have been identified. Other factors in a view of improving performance (sensitivity and detection limit) of vibrating microbeams have been studied, such as the influence of the actuating current and bias voltages (electromagnetic actuation and piezoresistive detection) and using high resonant modes. Furthermore, the study of the influence of environmental parameters (temperature and pressure) on the sensors behavior has been established.

Ces travaux consistent à mettre en place un dispositif expérimental BOS3D permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats ainsi qu'une robustesse liée à un nombre faible de points de vue. La démarche a consisté dans un premier temps à développer un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct a été reformulé sous forme algébrique et un critère a été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisés pour permettre une implémentation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler numériquement une BOS3D afin d'obtenir les champs de déviation associées aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, les erreurs de calibration, la discrétisation du maillage... Ensuite, afin de tester notre code sur des données réelles nous avons mis en place un banc expérimental BOS3D pour la reconstruction du champ de masse volumique instantané. Cela a nécessité l'étude d'un nouveau moyen de mesure, faisant appel à des techniques de calibrage multi-caméras et de nouvelles stratégies d'illumination su fond. Finalement les données issues de l'expérimentation ont été utilisées comme entrée de notre algorithme afin de valider son comportement sur données réelles. / This thesis consists in implementing a scientific experimental apparatus BOS3D (Background Oriented Schlieren 3D) at ONERA for the reconstruction of the density field of instantaneous flow and to develop a robust reconstruction algorithm allowing rapid provision of results considering a small number of views . First, we have developed a reconstruction algorithm BOS3D applicable to all experimental configurations . To do so, the direct problem, that is to say, the equation of the light deflection through a medium of inhomogeneous optical index was reformulated in algebraic form. experiment is then defined. This formulation and the equations resulting from optimization methods necessary for the minimization of the criterion have been parallelized to allow implementation on GPU. This algorithm was then tested with reference cases from numerical calculation to check whether the reconstructed field was consistent with the one provided. In this context, we developed a tool for simulating a virtual BOS3D to obtain the deflection fields associated with numerical flows. These deflection fields were then provided as input to the code of reconstruction and allowed us to study the sensitivity of our algorithm to many parameters such as noise on the data, mesh discretization, the type of regularization and positioning of the cameras. In parallel with the study of the reconstruction method by simulation, we have gained experience in the effective implementation of the BOS technique in experimental facilities, participating in several test campaigns . This has enabled us to contribute to the design and implementation of experimental apparatus dedicated to the BOS technique. The main result of this work is the realization of the experimental apparatus BOS3D in DMAE, which is designed to reconstruct instantaneous density fields. These experimental developments ultimately allow us to obtain 3D reconstructions of instantaneous and mean density fields from experimental data. In addition , analysis of the behavior of the BOS3D numerical method is proposed according to the nature of the observed flows and the acquisition configuration

Le schéma Marker-And-Cell (MAC) est un schéma de discrétisation des équations aux dérivées partielles sur maillages cartésiens, très connu en mécanique des fluides. Nous nous intéressons ici à son analyse mathématique dans le cadre des écoulements incompressibles sur des maillages cartésiens non-uniformes en dimension 2 ou 3. Dans un premier temps nous discrétisons les équations de Navier-Stokes pour un écoulement incompressible stationnaire; nous établissons des estimations a priori sur les suites de vitesses et pressions approchées qui permettent d’une part d'établir l’existence d’une solution au schéma, et d’obtenir la compacité de ces suites lorsque le pas d’espace tend vers 0. Nous montrons alors la convergence de ces suites (à une sous-suite près) vers une solution faible du problème continu, ce qui nécessite une analyse fine du terme de convection non linéaire. Nous nous intéressons ensuite aux équations de Navier-Stokes en régime instationnaire avec une discrétisation en temps implicite. Nous démontrons que le schéma préserve les propriétés de stabilité du problème continu et obtenons ainsi l’existence d’une solution au schéma. Puis, grâce à des techniques de compacité et en passant à la limite dans le schéma, nous démontrons qu’une suite de vitesses approchées converge. Si l’on se restreint au problème de Stokes, et en supposant de plus que la condition initiale de la vitesse est dans H 1 , nous obtenons une estimation sur la pression qui permet de montrer la convergence forte des pressions approchées. Enfin nous étendons l’analyse aux écoulements incompressibles à masse volumique variable. On montre la convergence du schéma. / The Marker-And-Cell (MAC) scheme is a discretization scheme for partial derivative equations on Cartesian meshes, which is very well known in fluid mechanics. Here we are concerned with its mathematical analysis in the case of incompressible flows on two or three dimensional non-uniform Cartesian grids. We first discretize the steady-state incompressible Navier-Stokes equations. We show somea priori estimates that allow to show the existence of a solution to the scheme and some compactness and consistency results. By a passage to the limit on the scheme, we show that the approximate solutions obtained with the MAC scheme converge (up to a subsequence) to a weak solution of the Navier-Stokes equations, thanks to a careful analysis of the nonlinear convection term. Then, we analyze the convergence of the unsteady-case Navier-Stokes equations. The algorithm is implicit in time. We first show that the scheme preserves the stability properties of the continuous problem, which yields, the existence of a solution. Then, invoking compactness arguments and passing to the limit in the scheme, we prove that any sequence of solutions (obtained with a sequence of discretizations the space and time step of which tend to zero) converges up to the extraction of a subsequence to a weak solution of the continuous problem. If we restrict ourselves to the Stokes equations and assume that the initial velocity belongs to H 1, then we obtain estimates on the pressure and prove the convergence of the sequences of approximate pressures. Finally, we extend the analysis of the scheme to incompressible variable density flows. we show the convergence of the scheme.

Nous avons étudié la conductivité thermique de particules de silice mésoporeuse organisée de type SBA-15 de morphologie bâtonnet et présentant trois états d’agrégation : non agrégées (morphologie A), agrégées en macrostructures fibreuses homogènes en taille (morphologie B) et agrégées en macrostructures fibreuses hétérogènes en taille (morphologie C). Ces trois types de morphologie ont subi un traitement thermique post-synthèse à des températures variables allant de 150 °C jusqu’à 900 °C. Les mesures de conductivité thermique ont été effectuées sur ces trois morphologies. Il s’est avéré que la morphologie B est la plus isolante par rapport aux deux autres morphologies. De plus, le traitement thermique post-synthèse à 300 °C est optimal pour avoir des caractéristiques texturales très importantes, ainsi qu’une meilleure performance en isolation thermique (23 mW.m-1.K-1 pour la poudre, 30 mW.m-1.K-1 pour le monolithe). Dans le cas de la morphologie B, nous avons modifié l’interconnexion entre les mésopores cylindriques réguliers qui caractérisent la SBA-15; soit la présence ou non de microporosité, voire de mésoporosité, en variant la température de l’étape de synthèse dite de vieillissement de 36 à 130 °C. Il apparait que la température de vieillissement à 130 °C améliore la performance d’isolation thermique (22 mW.m-1.K-1). Des pastilles de la SBA-15 de morphologie B en été élaborées par ajout de liants de deux types : organique avec la carboxyméthylcellulose, et inorganique avec une silice colloïdale. En ajoutant ces deux types de liants, les propriétés mécaniques sont un peu améliorées, cependant la performance d’isolation thermique diminue notablement. / We have studied the thermal conductivity of rod-shaped particles of ordered mesoporous silica (OMS) SBA-15 type with three states of aggregation: non aggregated (morphology A), aggregated in fibrous macrostructures homogeneous in size (morphology B) and aggregated in fibrous macrostructures heterogeneous in size (morphology C). These three types of morphology were heat treated at temperatures from 150 °C to 900 °C. The thermal conductivity measurements were performed on these three morphologies in powder form or monoliths (assembly of particles or aggregates). It has been found that the morphology B is more insulating compared to the two other morphologies. In addition, the post-synthesis heat treatment at 300 °C is optimum for obtaining important textural characteristics (specific surface area and pore volume), and a better thermal insulation performance (23 mW.m-1 K-1. for the powder and 30 mW.m-1.K-1 for the monolith). For morphology B, we have changed the interconnection between regular cylindrical mesopores of SBA-15 by varying the synthesis temperature during the aging step from 36 to 130 °C. It appears that the aging temperature at 130 °C, where the connection between the cylindrical mesopores is realized by mesopores, improves the performance of thermal insulation (22 mW.m-1.K-1). Monoliths of OMS SBA-15 type with morphology B were prepared by adding two kinds of binders: organic with carboxymethylcellulose (CMC), and inorganic with a colloidal silica (Ludox AS40). By adding these two kinds of binders, the mechanical properties of the SBA-15 with morphology B are improved, but the thermal insulation performance decreases considerably.

L'application du procédé de Déshydratation-Imprégnation par Immersion (DII) dans des solutions ternaires (eau, NaCl, sirop de glucose) à basse température a été proposée pour la transformation de la viande de dinde. La connaissance des propriétés des solutions utilisées conjuguée à celle des transports de matière entre le produit et la solution ont permis de dégager un domaine d'applications rationnelles du procédé de DII à la viande de dinde, en fonction des caractéristiques finales du produit transformé souhaité. Afin de s'affranchir en partie de la lenteur des mécanismes diffusifs qui régissent les transports de matière en DII et également d'élargir la gamme potentielle des produits pouvant être obtenus par immersion de viande de volaille dans des solutions concentrées, le procédé d'Immersion sous Vide Pulsé dans une solution saturée en sel a été proposé. Il s'agit d'immerger le produit dans une solution et de le soumettre à un traitement alternant des phases sous pression résiduelle et des phases à pression atmosphérique. L'IVP a pour effet une forte augmentation du gain en sel et une diminution de la perte en eau, ce qui a pour conséquence une augmentation du rendement massique. Les principales variables de commande de ce procédé ont été identifiées et leurs effets sur les transports de matière ont été quantifiés. Cette étude a montré l'importance de la structure de la viande et de la présence de gaz occlus et/ou dissous dans la viande. Les essais conduits sur viande et sur gels modèles ont permis de proposer un modèle de représentation des phénomènes intervenant dans les transports de matière en IVP. Ainsi, le traitement sous vide permet-il de dégazer les pores de la viande et la remise à pression atmosphérique se traduit par une infiltration de solution dans ces pores, les gaz encore présents dans ces pores étant alors comprimés. Cette infiltration se traduit également par une augmentation de la surface d'échanges entre la viande et la solution. Cependant, la solution infiltrée est très rapidement diluée et cette dilution diminue notablement, voire inverse, les transports d'eau. Enfin, le séquençage des opérations de DII et/ou d'IVP a été proposé pour obtenir plus rapidement certains produits et pour formuler d'autres produits, impossibles à obtenir par DII dans des conditions satisfaisantes.

Cette thèse consiste à mettre en place un dispositif scientifique expérimental BOS3D (Background Oriented Schlieren 3D) à l'ONERA permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme robuste de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats considérant un nombre faible de points de vue. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct, c'est-à-dire l'équation de la déviation des rayons lumineux à travers un milieu d'indice optique non homogène, a été reformulé sous forme algébrique. Un critère régularisé permettant la prise en compte explicite du bruit associé à l'expérimentation a ensuite été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisées pour permettre une implantation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler une BOS3D virtuelle afin d'obtenir les champs de déviation associés aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code de reconstruction et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, la discrétisation du maillage, le type de régularisation et le positionnement des caméras. En parallèle de l'étude de la méthode de reconstruction par simulation, nous avons acquis de l'expérience sur la mise en œuvre effective de la mesure BOS dans des installations expérimentales, en participant à plusieurs campagnes d'essais. Cela nous a permis de contribuer à la conception et à la réalisation de bancs de mesures dédiés à la technique BOS. Le principal résultat de ce travail est la réalisation du banc de mesure BOS3D du DMAE, qui permet d'accéder à la reconstruction de champs de masse volumique instantanés. Ces développements expérimentaux nous autorisent finalement à obtenir des reconstructions 3D de champs de masse volumiques moyens et instantanés sur données réelles. De plus, l'analyse du comportement de la méthode numérique BOS3D est proposée en fonction de la nature des écoulements observés et de la configuration d'acquisition.

Dans un objectif de réduction des consommations énergétiques et des impacts environnementaux, la pompe à chaleur (PAC) s'est imposée comme une alternative aux systèmes à combustion fossile pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire dans les secteurs résidentiel et tertiaire. Les industriels ne cessent de chercher à accroitre la performance énergétique des pompes à chaleur. Toutefois, un phénomène encore mal maitrisé limite les progrès : le givrage. En effet, dans certaines conditions de température et d'humidité de l'air extérieur, du givre peut se former sur la surface de l'évaporateur de la PAC, provoquant ainsi une chute de performance. En France, près de 98 % des PAC du marché utilisent l'air extérieur comme source de chaleur et sont donc exposées à ce phénomène. Malgré des logiques de dégivrage de plus en plus sophistiquées mises en œuvre par les industriels, le fonctionnement cyclique givrage/dégivrage réduit fortement les performances des PAC. Pour optimiser les méthodes de dégivrage, il est nécessaire de comprendre en amont, les mécanismes d'apparition et de croissance du givre. Ce travail de thèse propose ainsi d'étudier la formation et le développement du givre sur une plaque plane refroidie. Une étude approfondie de la bibliographie a permis d'établir des bases de données regroupant des points expérimentaux de l'épaisseur et de la masse volumique du givre. Des modèles et corrélations de formation du givre disponibles dans la littérature ont été reproduits et appliqués à ces bases de données afin d'évaluer la capacité de prédiction de chacun de ces modèles. Les plus performants ont ainsi pu être identifiés. En parallèle, un banc d'essais a été conçu pour observer la formation et la croissance du givre sur une plaque plane. L'étude de sensibilité menée sur la température de l'air, la température de la plaque froide, la vitesse de l'air et l'humidité relative a permis d'évaluer l'impact de ces paramètres sur la formation du givre, et plus particulièrement sur trois de ses propriétés : l'épaisseur, la masse volumique et la conductivité thermique. L'humidité relative et la température de la plaque froide ont été identifiées comme les paramètres prépondérants. Un des résultats importants de ce travail a été de mettre en évidence le rôle de la structure du givre sur ses propriétés (masse volumique et conductivité). Les points expérimentaux obtenus sur le banc d'essais ont été comparés aux résultats issus des modèles de la littérature. Les méthodes de prédiction identifiées comme satisfaisantes dans la partie bibliographique de cette thèse ont fourni des résultats similaires d'un point de vue statistique. Des perspectives de travail ont également été proposées. / In the energy consumption and environmental impact reduction goal, heat pumps emerged as an alternative to fossil fuel systems for space heating and hot water production in residential and tertiary sectors. Manufacturers still try to improve energy performance of heat pumps. However, a non-controlled phenomenon is limiting progress: frosting. Indeed, in some outdoor air temperature and relative humidity conditions, frost can form on the heat pump evaporator surface, leading to performance reduction. On the French market, almost 98 % of the heat pumps are using outdoor air as heat source and are thus affected. Despite more and more sophisticated defrosting strategies, the frosting/defrosting cyclic operation strongly reduces heat pump performance. For optimizing defrosting strategies, there is a need understanding frost appearance and growth mechanisms. This PhD work thus proposes to study frost formation and development on a cold plane plate. An in-depth bibliography study helped establishing databases gathering experimental points on frost thickness and frost density. Models and correlations of frost formation available in the literature have been reproduced and applied to the databases in order to evaluate their prediction capacity. The most performing models have been identified. Meanwhile, an experimental bench allowing visualization of frost formation and development on a cold plane plate has been set up. The sensitivity analysis on air temperature, cold plate temperature, air velocity and relative humidity allowed an evaluation of these parameters impact on frost formation, and more particularly on three of its properties thickness, density and thermal conductivity. Relative humidity and cold plate temperature have been identified as the leading parameters. One of the main results of this work was to highlight the frost crystal structure role on properties (i.e. density and thermal conductivity). Experimental data points obtained with the test bench have been compared to the results provided by literature models. Predictive methods identified as satisfying in the bibliography study gave similar results (from a statistical point of view). Perspectives for future work have also been proposed.

L'objectif de ce travail est l'étude de la solubilité d'un principe actif hydrophobe modèle, le diazépam, dans un solvant binaire d'intérêt pour la lyophilisation industrielle, le mélange eau + tert-butanol. Un modèle décrivant la dépendance du volume d'excès du solvant vis-à-vis de sa composition et de sa température a été validé à partir de données mesurées au cours de ce travail et de données de la littérature. Les variations de diverses propriétés partielles d'excès issues de ce modèle en fonction de la composition du solvant et de sa température ont été interprétées en termes d'interactions moléculaires et d'arrangements structuraux. Ensuite, la solubilité du diazépam dans le solvant a été mesurée en fonction de sa composition et de sa température. La masse volumique des phases liquides saturées ainsi que les propriétés thermophysiques des cristaux de principe actif originels et des phases solides en excès issues des équilibres solide-liquide ont été déterminées. Les propriétés thermodynamiques caractéristiques du processus de dissolution du diazépam en condition d'équilibre ont été obtenues à partir de la dépendance de sa solubilité vis-à-vis de la température. À partir de ces données, les propriétés thermodynamiques d'excès du diazépam dans les différents mélanges saturés ont été calculées et les forces responsables de la variation de la solubilité du principe actif avec la composition du solvant ont été identifiées. Enfin, la capacité de deux modèles d'enthalpie libre d'excès, le modèle de Scatchard-Hildebrand combiné ou non au modèle de Flory-Huggins, à corréler les données expérimentales de solubilité a été évaluée et comparée / The aim of this work is to investigate the solubility behavior of a hydrophobic model drug, diazepam, in a binary solvent of industrial interest for freeze-drying, the water + tert-butyl alcohol mixture. Firstly, a model describing the dependence of the excess volume of the solvent on both composition and temperature was validated from experimental data obtained during this work and literature data. This model was used to derive expressions for excess partial thermodynamic quantities and their variations with respect to composition and temperature were discussed in terms of molecular interactions and structural arrangements in solution. Secondly, the solubility of diazepam in neat solvents and different binary solvent mixtures was determined. The density of drug-saturated mixtures was also determined as well as the thermophysical properties of original diazepam crystals and excess solid phases from solid-liquid equilibria. The thermodynamic properties relative to the dissolution process of the drug under saturation condition were obtained from solubility temperature dependence using van’t Hoff plots. From these, the excess partial thermodynamic properties of diazepam in saturated mixtures were computed and the forces driving the drug solubility variation with respect to the solvent composition were identified. Finally, two excess Gibbs energy models, the Scatchard-Hildebrand and combined Scatchard-Hildebrand/Flory-Huggins models were tested to represent the solubility data. Their capabilities in correlating the dependence of the drug solubility on both the solvent composition and temperature were evaluated and compared

Cette étude comporte deux objectifs principaux. Le premier est de donner des ordres de grandeur et des gammes de variation des paramètres traduisant : (1) la taille, la masse volumique, la vitesse de chute des soudes transportés par temps de pluie à l'aval des réseaux d'assainissement; (2) la répartition, dans les rejets urbains de temps de pluie, entre pollution dissoute et pollution fixée sur ces solides, ainsi que la répartition de cette pollution entre classes de particules. Le deuxième objectif est de fournir des éclairages pour des options ou des solutions techniques visant à fonder une politique de lutte contre la pollution des rejets urbains par temps de pluie. La première partie de ce mémoire est consacrée aux questions de méthode (sélection des paramètres à mesurer, choix des sites de mesure, ajustement des procédures de prélèvement et de mesure). Nous analysons ensuite, dans la deuxième partie, les résultats obtenus au cours de neuf pluies, réparties sur quatre sites très différents par leur situation géographique, par la nature du réseau et par la dimension du bassin versant. La dernière partie aborde les trois thèmes suivants : (1) flux polluants et volumes associés ; (2) identification des sources de cette pollution ; (3) dimensionnement et mode de gestion des capacités à mettre en place pour intercepter et traiter la pollution.