Le séchage des boues d'épuration est un problème environnemental actuel, qui n'est pas suffisamment décrit dans la littérature. Par conséquent, ce travail représente une étude numérique des transferts de chaleur et de masse lors du séchage solaire des boues d’épuration. Cette boue est assimilée à un milieu poreux et exposée à un écoulement laminaire de convection forcée à l'intérieur d'un canal horizontal. Les transferts dans le canal et le milieu poreux sont décrits respectivement par les équations classiques de la convection forcée et par le modèle de Darcy-Brinkman-Forchheimer. Une méthode implicite aux différences finies est utilisée pour discrétiser le système d'équations différentielles régissant les transferts. Les systèmes algébriques obtenus sont résolus en utilisant les algorithmes de Gauss, Thomas et Gauss-Seidel. Afin de déterminer la vitesse de séchage, nous associons à ces équations un modèle de cinétique de séchage. Ce modèle est basé sur le concept de la courbe caractéristique. Nous avons particulièrement étudié les effets des conditions climatiques et des conditions relatives à la boue sur les évolutions spatio-temporelles des nombres caractéristiques des transferts ainsi que sur la cinétique de séchage. Le travail est complété par des simulations en utilisant des données météorologiques réelles de la région de Tataouine au sud de la Tunisie. Ces données ont subi un traitement statistique à l’aide de la méthode de Liu et Jordan afin de déterminer la journée type de chaque mois. L’étude de rentabilité du séchoir a montré que la période estivale est la période optimale pour le séchage. / The drying of sewage sludge is a current environmental problem, not sufficiently described in the literature. Hence, the aim of this work is a numerical study of heat and mass transfers during solar drying of residual sludge. This sludge is assimilated to a porous medium and exposed to a forced convection laminar flow within a horizontal channel. The transfers in the channel and the porous medium are respectively described by the classic equations of forced convection and the Darcy-Brinkman-Forchheimer model. The implicit finite difference method is used to discretize the governing differential equation system. The algebraic systems obtained are solved using the Gauss, Thomas and Gauss-Seidel algorithms. To determine the drying rate, we associate a drying kinetics model. This model is based on the concept of the characteristic curve. We particularly studied the effects of climatic conditions (temperature, velocity and relative humidity of the ambient air as well as the solar radiation intensity) and the conditions relating to the sludge on the spatio-temporal evolutions of the transfers characteristic numbers as well as on drying kinetics. This work is completed by simulations using meteorological data from the Tataouine region in southern Tunisia. These data were statistically processed using the Liu and Jordan method to determine the typical day of each month. The rentability study of the dryer show that the summer period is the optimum period for drying.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: A wet-cooling tower fill performance evaluation model developed by Reuter is derived in Cartesian coordinates for a rectangular cooling tower and compared to cross- and counterflow Merkel, e-NTU and Poppe models. The models are compared by applying them to a range of experimental data measured in the cross- and counterflow wet-cooling tower test facility at Stellenbosch University. The Reuter model is found to effectively give the same results as the Poppe method for cross- and counterflow fill configuration as well as the Merkel and e-NTU method if the assumptions as made by Merkel are implemented. A second order upwind discretization method is applied to the Reuter model for increased accuracy and compared to solution methods generally used to solve cross- and counterflow Merkel and Poppe models. First order methods used to solve the Reuter model and crossflow Merkel and Poppe models are found to need cell sizes four times smaller than the second order method to obtain the same results. The Reuter model is successfully implemented in two- and three-dimensional ANSYS-Fluent® CFD models for under- and supersaturated air. Heat and mass transfer in the fill area is simulated with a user defined function that employs a second order upwind method. The two dimensional ANSYS-Fluent® model is verified by means of a programmed numerical model for crossflow, counterflow and cross-counterflow. / AFRIKAANSE OPSOMMING: ‘n Natkoeltoring model vir die evaluering van pakkings werkverrigting, wat deur Reuter ontwikkel is, word in Kartesiese koördinate afgelei vir ‘n reghoekige koeltoring en word vergelyk met kruis- en teenvloei Merkel, e-NTU en Poppe modelle. Die verskillende modelle word vergelyk deur hulle op ‘n reeks eksperimentele data toe te pas wat in die kruis- en teenvloei natkoeltoring toetsfasiliteit by die Universiteit van Stellenbosch gemeet is. Dit is bevind dat die Reuter model effektief dieselfde resultate gee as die Poppe model vir kruis- en teenvloei pakkingskonfigurasies sowel as die Merkel en e-NTU metode, indien dieselfde aannames wat deur Merkel gemaak is geїmplementeer word. ‘n Tweede orde “upwind” metode word op die Reuter model toegepas vir hoër akkuraatheid en word vergelyk met oplossingsmetodes wat gewoonlik gebruik word om kruis- en teenvloei Merkel en Poppe modelle op te los. Eerste orde metodes wat gebruik is om die Reuter model en kruisvloei Merkel en Poppe modelle op te los benodig rooster selle wat vier keer kleiner is as vir tweede orde metodes om dieselfde resultaat te verkry. Die Reuter model is suksesvol in twee- en driedimensionele ANSYS-Fluent® BVD (“CFD”) modelle geїmplementeer vir on- en oorversadigde lug. Warmte- en massaoordrag in die pakkingsgebied word gesimuleer mbv ‘n gebruiker gedefinieerde funksie (“user defined function”) wat van ‘n tweede orde numeriese metode gebruik maak. Die tweedimensionele ANSYS-Fluent® model word m.b.v. ‘n geprogrameerde numeriese model bevestig vir kruis-, teen- en kruis-teenvloei.

Les procédés de fabrication de produits carnés stables à température ambiante s'articulent autour de la théorie des barrières et du couplage d'opérations unitaires telles que le salage, le séchage, la fermentation, le fumage. Dans les pays du Nord, ces procédés traditionnels ou industrialisés, aboutissent à des produits finis à la fois stables à température ambiante et prêts-à-consommer. Pour contrecarrer l'altération de la viande, accrue en conditions tropicales ou en conditions d'hygiène non maîtrisées, les procédés traditionnels du Sud mettent en œuvre des traitements plus drastiques et aboutissent à des produits nécessitant une préparation ultérieure pour être consommés (cuisson, dessalage).L'objectif général de ce travail est de proposer un procédé innovant adapté aux pays du Sud aboutissant à un produit carné salé/séché/fermenté stable à température ambiante et prêt-à-consommer. L'innovation consiste à traiter des morceaux de viande en couplant une pré-stabilisation par Déshydratation-Imprégnation par Immersion (DII) à une étape maîtrisée de fermentation de surface. Par une stratégie expérimentale progressive associée à la modélisation, cette thèse étudie le couplage DII/fermentation de surface et détermine quels leviers sont à disposition pour optimiser ce couplage. Les réponses apportées s'appuient sur trois parties. Une première étude sur aliment réel a validé le couplage de la DII avec une fermentation de surface par Lactobacillus sakei. Dans un deuxième temps, une étude en milieu modèle a mis en évidence l'influence des facteurs environnementaux d'intérêt (activité en eau, teneur en sel, pH et teneur en acide lactique) sur la croissance en surface de L. sakei. Enfin, un modèle global a été construit pour analyser le couplage entre les transferts de matière (eau, sel, sucres et acide) entre la surface et le cœur de l'aliment, et le métabolisme fermentaire à la surface du produit.Mots-clés : produits carnés, Déshydratation-Imprégnation par Immersion, fermentation de surface, Lactobacillus sakei, cinétiques de croissance, transferts de matière. / The fabrication of shelf-stable cured meat products is based on the hurdle technology and on the coupling of unit-operations such as salting, drying, fermentation and smoking. In Northern countries, these processes whether traditional or industrialized, lead to end-products which are both shelf-stable and ready-to-eat. Meat spoilage is accelerated in tropical conditions or when the general hygiene is not controlled. In order to counteract it, traditional processes in these conditions use more drastic treatments leading to end-products which require an additional preparation step before being consumed (cooking, desalting).The general objective of this work is to propose an innovative process adapted to Southern countries and leading to a salted/dried/fermented meat product which is shelf-stable and ready-to-eat. The innovation consists in treating meat pieces by coupling a pre-stabilization by Dehydration-Impregnation by Soaking (DIS) with a controlled surface fermentation step. By means of a progressive experimental strategy associated with modelization, this thesis studies the DIS/surface fermentation coupling and determines which levers are available to optimize it.The answers comprised three parts. Firstly, a study on the real food product validated the coupling of DIS with a surface fermentation by Lactobacillus sakei. Secondly, a study on a model device showed the influence of relevant environmental factors (water activity, salt content, pH and lactic acid content) on the surface growth of L. sakei. Finally, a global model was built to analyze the coupling of mass transfers (water, salt, sugars, acid) between the surface and the core of the product, and the fermentative metabolism at the surface of the product.Keywords: meat products, Dehydration-Impregnation by Soaking, surface fermentation, , Lactobacillus sakei, growth kinetics, mass transfers.

L’objectif général de la thèse est de progresser dans la compréhension du comportement multi-physique des bâtiments en bois et d’améliorer l’évaluation de leur performance énergétique associée au confort hygrothermique. Les professionnels du secteur, ainsi que des études scientifiques, montrent des écarts entre les calculs et les mesures de performance (consommations, confort) de ces bâtiments. Les raisons de ces écarts ne sont pas encore bien élucidées : l’impact de l’humidité et de la chaleur latente dans ces constructions sont souvent mis en avant comme explication probable, bien que cela reste encore du domaine de la recherche. Les travaux les plus récents montrent que les fondements se situent probablement au niveau du comportement hygrothermique des matériaux à la base de bois en régime instationnaire. Ce travail de thèse se focalisera principalement sur deux échelles d’études : échelle matériau et échelle bâtiment. L’un des axes de travail de la thèse portera sur la caractérisation expérimentale des propriétés hygroscopiques de matériaux à base de bois et sur leur modélisation. Le second axe de travail portera sur l’intégration à l’échelle bâtiment de ces matériaux : en modélisation, intégrer l’impact des propriétés spécifiques de ces matériaux dans les assemblages constituants les parois, puis dans les bilans complexes à l’échelle du bâtiment. Une étude expérimentale portera sur une pièce de vie avec une forte présence de bois dans l’enveloppe du bâtiment pour caractériser le confort hygrothermique, et quantifier l’apport de l’inertie hygrique de l’enveloppe sur la performance de l’ambiance en termes de confort. Le cas échéant, des mesures seront également réalisées à l’échelle « paroi » d’une part, sur des constructions réelles d’autre part / The general aim of the thesis is to advance the understanding of multi-physical behavior of wooden buildings and improving the assessment of their energy performance with comfort hygrothermal. Sector professionals and scientific studies show the differences between the calculations and performance measures (consumption, comfort) of these buildings. The reasons for these differences are not yet well understood: the impact of moisture and latent heat in these constructions are often put forward as a likely explanation, although this is still research. The most recent studies show that the foundations are likely to fall at the hygrothermal behavior of materials at the base of wooden unsteady. This work will focus primarily on two studies scales: scale and scale building material. One of the lines of work of the thesis will focus on the experimental characterization of hygroscopic properties of wood-based materials and their modeling. The second strand of work will focus on building wide integration of these materials in modeling, integrating the impact of specific properties of these materials in the walls constituent assemblies and in complex balance sheets at the building scale . An experimental study will focus on a living room with a large presence of wood in the building envelope to characterize the hygrothermal comfort, and quantify the contribution of Hygric inertia of the envelope on performance in terms of the atmosphere comfort. If necessary, measures will also be drawn to scale "wall" on one hand, on real structures on the other

La qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments basse consommation devient une problématique préoccupante dans le contexte actuel de règlementations thermiques de plus en plus exigeantes. Une des solutions envisagées pour concilier qualité de l’air intérieur et performance énergétique dans les bâtiments est l’intégration de systèmes d’épuration dans les réseaux de ventilation. Peu de retour d’expériences in situ permettent d’évaluer l’intérêt de ces systèmes pour répondre à la problématique. La solution envisagée dans ces travaux est l’évaluation par la simulation numérique. Ce choix a nécessité le développement d’un outil numérique capable de représenter de façon couplée les phénomènes thermiques, aérauliques et ceux liés à la qualité de l’air intérieur par une représentation multipolluant, à l’échelle d’un bâtiment ou d’une partie d’un bâtiment. Cet outil a été développé dans l’environnement Dymola sous le langage Modelica. Des expérimentations ont été menées dans ces travaux dans le but de compléter l’outil numérique par des lois empiriques caractérisant, d’une part les phénomènes de sorption des polluants gazeux par les matériaux de revêtement intérieur, d’autre part le comportement, à la fois énergétique et sanitaire, de six solutions d’épuration. Pour illustrer la capacité d’étude acquise grâce aux développements numériques et expérimentaux qui ont été réalisés dans le cadre des travaux de thèse, une zone de bureaux d’un bâtiment tertiaire a été simulée pour deux zones climatiques et pour deux types de pollution extérieure sur une année type complète. Les trois solutions d’épuration ayant montrées des performances tangibles lors de la phase expérimentale ont été simulées sous plusieurs conditions de fonctionnement puis comparées à deux cas de surventilation des locaux (sans épuration de l’air). Un indice global combinant performance sanitaire et énergétique a été ainsi défini dans le but de hiérarchiser les différentes stratégies simulées. Les résultats obtenus permettent de valider la méthodologie employée, notamment en montrant à la fois l’intérêt de contextualiser les solutions envisagées pour les évaluer, et l’importance de travailler, lors des expérimentations, à des conditions représentatives de la réalité des environnements intérieurs. Plusieurs voies d’amélioration de l’outil numérique développé sont également proposées en conclusion, ainsi que différents points de discussion qui méritent l’attention de travaux futurs dans le domaine. / Indoor air quality in low-energy buildings has become these recent years an important topic with the rigorous performance expectations in terms of envelope airtightness and energy consumption set by the RT2012 thermal building code. One possible solution to conciliate indoor air quality and energy performance is to integrate air-cleaning systems in the building ventilation system. Because of the lack of scientific results regarding the suitability of those systems to solve this problematic, an investigation using numerical simulation has been conducted in the present work. This choice led to the development of a numerical tool that resolves in a coupled way, the heat and mass transfers, considering a multi-pollutant representation at the scale of the building/rooms. This tool was developed in the Dymola environment, using the Modelica programming language. Several experiments were also performed in the present work to acquire complementary data about the sorption of gaseous pollutants by indoor covering materials and about the cleaning effectiveness and energy consumption of six air-cleaning systems. To illustrate the capabilities of the numerical tool, simulations have been performed for an office building zone. The building has been located in two climatic zones and submitted to two levels of outdoor pollution, for a whole year. Three of the tested solutions that have shown the best air-cleaning performances in the experimental phase have been simulated under various operating conditions. Two cases of higher amount of fresh air, i.e. without any air-cleaning system, have been also included to the study. One index has then been defined to compare the performance of the different solutions considering both the exposure reduction to eight pollutants and the induced energy consumption. The results obtained in the present study confirm the adequacy of the proposed methodology. In particular, the importance of evaluating the solutions in their real context and not simply relying on their intrinsic performances to judge their performances when applied to indoor environments has been demonstrated. Another important issue is the need to conduct experimental characterizations of sorption processes and air-cleaning system under environmental conditions representative of real indoor spaces, i.e. low pollutant concentration and adequate air temperature, humidity and velocity. Future developments needed to improve the capabilities of the numerical tool are presented in conclusion as well as some important issues that would need a careful attention for further works in the domain.

La maîtrise du procédé séchage, étape essentielle dans la transformation du bois, est devenue incontournable pour la filière bois. Cette thèse propose l'utilisation de conduites de séchage oscillantes pour réduire les contraintes de séchage liées au retrait par l'activation du fluage mécanosorptif. A ce jour, la meilleure façon d'appliquer les conduites oscillantes représente un défi pour la communauté scientifique. Dans ce travail, nous avons choisi comme matériel d'étude une essence feuillue fortement utilisée dans la filière et très susceptible aux déformations lors du séchage : le hêtre (Fagus sylvatica). L'effet des conduites oscillantes sur les contraintes de séchage est étudié par une approche expérimentale et par une approche théorique, articulées en trois parties : - Un premier volet expérimental sur un séchoir semi – industriel pour saisir l'effet global des conduites oscillantes à l'échelle d'une pile de planches. L'amélioration de la qualité du bois séché s'est avérée par : une meilleure homogénéité de la teneur en eau finale inter et intra-planche, la diminution des déformations globales et la diminution des contraintes résiduelles exprimées par le gap du « slicing test ». - Ensuite, nous avons développé un volet théorique sur la base de modélisations analytique et numérique pour étudier l'évolution des champs de teneur en eau et de contraintes mécaniques au sein d'une planche lorsque les conditions climatiques oscillent. Une formulation analytique simple, adaptée aux conduites oscillantes, est proposée pour les utilisateurs de séchoirs n'ayant pas accès à un outil numérique sophistiqué. L'approche numérique effectuée avec l'outil de simulation TransPore permet une étude plus réaliste du séchage oscillant. Ainsi, le module mécanique de TransPore a été utilisé pour dégager des configurations pertinentes de séchage permettant d'étudier l'effet des conduites oscillantes sur la relaxation des contraintes. - Enfin, un second volet expérimental a été réalisé sur un séchoir de laboratoire, à l'échelle d'une planche, pour tester les informations issues du volet théorique. Un dispositif de séchage dissymétrique (flying wood) et deux dispositifs de séchage sous charge (poutre cantilever et flexion trois points) ont été utilisés pour étudier l'effet des oscillations. Toutefois, ces essais ne permettent pas de montrer clairement l'effet des oscillations sur la relaxation des contraintes. La confrontation entre les résultats expérimentaux à l'échelle d'une planche et la simulation numérique a mis en évidence l'effet conséquent des oscillations parasites de faibles période et amplitude sur les résultats expérimentaux, provoquées par la régulation du séchoir. Des modifications du modèle de comportement mécanique différé ont été proposées en perspectives de ce travail afin de mieux saisir le comportement observé expérimentalement. / Wood drying is an essential process in the wood industry. A perfect control of wood drying is nowadays very important for the wood industry. In this study, we propose the utilization of oscillating drying conditions to reduce the drying stresses induced by wood shrinkage by activating the mechanosorptive creep. The best way to apply this concept remains an open question in the scientific community. Beech wood (Fagus sylvatica), one of the most commonly used hardwood in France, was chosen for this study owing its elevated risk of drying defaults. The effect of oscillating conditions on drying stresses inside the boards was studied by both an experimental and a theoretical approach, structured in three parts: - A first experimental part realized with a semi – industrial kiln in order to study the global effect of oscillating conditions at the stack scale. Improvement of the quality of dried wood was showed by the best homogeneity of water content inside the board and among the boards and by the decrease of global deformations and residual stresses expressed by the gap measured by the slicing test. - The study was continued with a theoretical part based on analytical and numerical modeling to understand the development of internal heat and mass transfers inside the boards and the evolution of drying stresses during oscillating conditions. A simple analytical model adapted to the oscillating conditions was proposed, particularly for kiln users who don't have access to sophisticated numerical tools. The numerical approach used the simulation tool TransPore, able to simulate oscillating drying in more realistic conditions. Its mechanical module was used to set accurate drying schedules to study the effect of oscillating conditions on stresses relaxation. - Finally, a second experimental part was performed in a laboratory scale kiln, at the board scale, to test the information obtained theoretically. A non-symmetrical drying device (flying wood) and two different loaded drying devices (cantilever beam test and three points bending) were used to study the effect of oscillations. However, it is difficult to see the oscillating conditions effect on the stresses relaxation. The confrontation between experimental results at the board scale and the numerical simulation showed the significant effect produced on experimental results by parasite oscillations of small periods and intensities, originated by the kiln regulation. Further work should consider some modifications of the time dependent mechanical behavior model in order to capture the experimentally observed behavior.

Les caractéristiques des transferts de masse et de chaleur par convection forcée lors de l'évaporation du film liquide dans le canal en présence d'un cylindre carré poreux parcouru par un écoulement transversal sont étudiées numériquement. L'objectif principal de la présente étude est d'évaluer l'effet de l'introduction d'un cylindre carré poreux sur le transfert de chaleur et de masse. Plus précisément, cette étude examine l'influence de paramètres tels que l'humidité relative de l'air ambiant, la température de l'air à l'entrée, le flux de chaleur imposé, la position du cylindre, le taux de blocage et le nombre de Reynolds. Une comparaison entre les deux configurations, avec et sans cylindre carré poreux a été réalisée pour mettre en évidence l'effet de son ajout. Pour modéliser ce phénomène nous avons résolu l'équation classique de convection forcée et le modèle de Darcy-Brinkman-Forchheimer dans les milieux poreux. Nous avons trouvé que l'insertion d'un cylindre carré poreux dans le canal pourrait perturber l'écoulement et améliorer de manière significative les taux de transfert de masse et de chaleur au niveau des parois du canal. Les transferts de chaleur et de masse deviennent plus importants avec la diminution du nombre de Darcy et lorsque l'obstacle poreux est placé au milieu du canal. Par contre, l'augmentation de l’humidité relative de l’air ambiant et de la température d'entrée réduit le transfert de masse. A Da = 10-6, l'écoulement ne pénètre plus à travers le cylindre poreux, la structure de l'écoulement est similaire à celui d'un cylindre carré plein. Enfin, nous proposons des lois de corrélations qui permettent de prédire les valeurs des nombres de Sherwood et de Nusselt en fonction des nombres de Reynolds, de Biot et du taux de blocage. / The characteristics of mass and heat transfers by forced convection during liquid film evaporation in the channel with a built in porous square cylinder in a cross flow are investigated numerically. The main objective of the present study is to evaluate the effect of introducing a porous square cylinder on the heat and mass transfer. Specifically, this study examines the influence of parameters such as the relative humidity of the ambient air, the air inlet temperature, the imposed heat flux, the variation of the cylinder position, blockage ratio and Reynolds number on the performance of the evaporation at the channel wall. A comparison between the two configurations, with and without, porous square cylinder has been performed to highlight the effect of its addition. To achieve this, we solved the classic equation of forced convection and the Darcy-Brinkman-Forchheimer model in the porous media. We find that the insertion of a porous square cylinder in the channel could make the flow more disturbed and significantly improve mass and heat transfer rates at the channel walls. The heat and mass transfer enhancements is greater with a decrease of the Darcy number and for γ=1 when the porous obstacle is placed in the middle of the channel. It is also greater with a decrease of the temperature and relative humidity of the air at the inlet. At Da = 10-6, the flow does not penetrate through the porous cylinder, the flow pattern is similar to that of a solid square cylinder. Finally, we propose correlations that allow us to define the Sherwood and Nusselt numbers based on the Reynolds, Biot numbers and the blockage ratio.

La compréhension des phénomènes se déroulant lors de l’impact d’une goutte sur une paroi chaude est essentielle à l’optimisation des systèmes de refroidissement par sprays. Lorsque la température de paroi est élevée, un film de vapeur se forme quasi-instantanément entre la goutte et la paroi chaude. Ce film modifie le comportement hydrodynamique des gouttes et réduit considérablement les échanges de chaleur et de masse par rapport à un impact mouillant. La modélisation de ces phénomènes est complexe en raison des nombreux couplages entre les transferts de chaleur et de masse et la dynamique d’impact de la goutte. Pour aborder ce sujet, des techniques de mesure optiques ont été développées spécifiquement. L’imagerie de fluorescence induite par plan laser à deux couleurs permet de caractériser la distribution de la température à l’intérieur des gouttes. Des images du champ de température, résolues à la fois spatialement et temporellement, sont rendues possible grâce à l’utilisation d’un nouveau couple de colorants fluorescents conservant une grande sensibilité à la température quand ils sont excités par un laser pulsé nanoseconde d’une énergie de plusieurs centaines de mJ. En parallèle, la thermographie infrarouge a été utilisée pour déterminer la température de la surface d’impact en saphir. Pour cela, cette dernière est recouverte d’une couche de quelques centaines de nanomètres de TiAlN, émissif dans l’IR alors que le saphir est transparent. Les images haute cadence sont analysées par un modèle d’inversion, prenant en compte la conduction thermique dans le saphir, afin d’estimer la densité de flux thermique au niveau de la surface d’impact. L’épaisseur du film de vapeur est également déduite de ces mesures sous l’hypothèse, justifiée a posteriori, d’une conduction thermique prépondérante dans le film de vapeur. Une étude de l’impact de gouttes d’eau est réalisée en faisant varier la vitesse d’impact et la température des gouttes avant impact, ainsi que la température de paroi. Dans la plupart des cas, la chaleur extraite à la paroi est comparable à celle transférée au liquide pour l’échauffer. Lorsque la température de paroi se rapproche et dépasse la température de Leidenfrost, les transferts de chaleur deviennent de plus en plus sensibles au nombre de Weber, et de moins en moins dépendant de la température de paroi. L’épaisseur du film de vapeur est affectée par des instabilités, dont les caractéristiques (longueur d’onde, amplitude) sont étudiées à partir des images IR. Finalement, un modèle 1D semi empirique est proposé pour décrire l’échauffement des gouttes et la croissance du film de vapeur. La pression exercée par la goutte sur le film de vapeur se dissipe très vite à l’impact, si bien que la croissance du film de vapeur est gouvernée par la conduction de la chaleur vers la goutte et non par la dynamique de l’impact / The understanding of phenomena occurring at the impact of a droplet onto a hot wall is crucial for the optimization of spray cooling systems. When the temperature of the wall is high, a vapor layer appears quasi-instantaneously between the droplet and le wall. This film of vapor modifies the hydrodynamic behavior of the droplet and highly reduce the heat and mass transfers in comparison with a wetting impact. Modelling these phenomena is complex because of the numerous coupling between the heat and mass transfers and the fluids dynamic. To get some insights into this phenomenon, optical diagnostic techniques have been developed. Two color planar laser induced fluorescence imaging allows characterizing the distribution of the temperature inside the droplet. Images of the temperature fields, resolved both spatially and temporally, are recorded thanks to the use of a couple of fluorescent dyes keeping a high temperature sensitivity even when they are excited by a nanosecond pulsed laser with and an energy of hundreds m J. In parallel, the infrared thermography is used to determine the temperature of the impinged surface made of sapphire. For that, this surface is coated with a thin film (about 300 nanometers) of TiAlN, highly emissive in the IR domain as opposed to the sapphire which is transparent in it. High frame rate image sequences are analyzed thanks to an analytical inversion model, taking into account the thermal conduction in the sapphire, in order to estimate the heat flux density at the impact surface. The thickness of the vapor layer was also deduced from this measurements thanks to the hypothesis of a dominant thermal conduction in the vapor layer. A study of water drop impact was performed with different impact speeds, wall temperatures and different drop injection temperatures. In most of the cases, the heat flux extracted from the wall in close to the flux transferred to the liquid phase of the droplet. When the wall temperature approaches or exceeds the Leidenfrost temperature, the transfers become more sensitive to the Weber number and less sensitive to the wall temperature. The vapor layer thickness is affected by instabilities whose caracteristics (wavelengths, amplitude) were investigated from the IR images. Eventually, a 1-Dsemi-empirical model is given for describing the heating of the liquid part of the droplet and the growth of vapor layer. The effect of the pressure exerted by the droplet onto the vapor film rapidly decreases during the impact process, so that the growth of the vapor film is only driven by the heat transferred by conduction to the droplet and not by dynamical parameters such as the impact velocity

Ce travail porte sur la simulation numérique des écoulements multiphasiques compressibles en déséquilibre de vitesses. Un solveur de Riemann diphasique de type HLLC, à la fois robuste, simple et précis est développé et validé à partir de solutions exactes et de données expérimentales. Cette méthode numérique est étendue au cas 3D non-structuré. Par ailleurs, la construction d’une technique numérique pour la répartition de l’énergie d’une onde de choc dans les différentes phases constituant le milieu est établie et permet le respect des conditions de choc multiphasiques. L’extension multiphasique du solveur de Riemann de type HLLC est réalisée, permettant ainsi la simulation d’une plus large gamme d’applications. Enfin, un modèle de transfert de chaleur et de masse dans un brouillard de gouttes ou nuage de bulles, en présence d’effets couplés de diffusion thermique et massiques, est proposé et dévoile des résultats intéressants. / This work deals with the numerical simulation of compressible multiphase flows in velocity disequilibrium. A HLLC-type two-phase Riemann solver is developed and validated against exact solutions and experimental data. This solver is robust, simple, accurate and entropy preserving. The numerical method is then implemented in 3D unstructured meshes. Furthermore, a numerical technique consisting in enforcing the correct energy partition at a discrete level in agreement with the multiphase shock relations is built. The multiphase extension of the HLLC-type Riemann solver is realized and allows the simulation of a wide range of applications. Finally, a droplet heat and mass transfer model with large range of validity is derived. It is valid in any situation: evaporation, flashing and condensation. It accounts for coupled heat and mass diffusion in the gas phase, thermodynamics of the multi-component gas mixture and heat diffusion inside the liquid droplet, enabling in this way consideration of both droplets heating and cooling phenomena.

Ce travail porte sur la modélisation de la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes, par déconfinement d'un liquide: agression extérieure ou situation accidentelle. Le but est la construction d'un modèle apte à reproduire simultanément les conditions génératrices de la formation du nuage et l'évolution de ce nuage dans le temps (dispersion). La principale difficulté réside en la différence des modèles adaptés à la description d'écoulements caractérisant chaque étape du phénomène global : modèle d'écoulement multiphasique à phases compressibles (milieux continus) initialement, puis fragmentation et formation du nuage de gouttes dispersées dans une phase porteuse (modèle d'écoulements dilués). En l'absence de modèle analytique unique apte à décrire l'ensemble de ces processus, on propose une approche originale pour réaliser un couplage effectif entre ces deux modèles. La problématique de formation et de dispersion de liquide implique la prise en compte de plusieurs phénomènes physiques: fragmentation, transferts de chaleur et de masse ainsi que la traînée entre les phases. Ces différents phénomènes sont introduits dans le modèle global via des termes d'interactions présents dans les systèmes d'équations. La construction de ce modèle complet à permis la réalisation de calculs décrivant la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes pouvant intervenir lors de situations accidentelles sur des sites industriels par exemple. / This work focuses on modeling the formation and the dispersion of a cloud of droplets, induced by ejection of a liquid, resulting from an external aggression or an accidental situation. The goal is to build a model able to reproduce simultaneously the conditions which generate the cloud formation and the cloud evolution in time (dispersion). The main difficulty lies in the differences between the already existing models adapted to the description of flows which are able to characterize each stage of the global phenomenon: initially a multiphase flow model with compressible phases (Continuum), then the atomization and the formation of a cloud of droplets dispersed in a carrier phase (dilute flow model). We propose a new approach to achieve an effective coupling between these two models. The problem of the formation and the dispersion of the liquid requires to take into account several physical phenomena: atomization, heat and mass transfers and drag between phases. These phenomena are included in the global model through interaction terms involved in the systems of equations. The construction of this model has permited the realization of calculations describing the formation and dispersion of a cloud of droplets which may occur during, for axample, in accidental situations at industrial sites.