Les écoulements de convection naturelle en espace confiné sont généralement turbulents (grandes dimensions et/ou écarts de température importants). L'approfondissement de la connaissance de ce régime et des transferts qui y sont associés semble donc essentielle. Cette étude expérimentale concerne les mécanismes de transferts thermiques turbulents en s'appuyant sur des mesures couplées vitesse/température dans un écoulement de convection naturelle turbulente à haut nombre de Rayleigh (Ra1-1= 1,2x1011) au sein d'une cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical (hauteur/largeur) égale à 4. Une chaîne de mesure PIV permet les acquisitions de vitesse tandis que la température est mesurée par micro-thermocouple de type K (0=12,7 μm). Les deux mesures étant synchronisées via un générateur de pulses type BNC®. Une attention particulière a été portée à la détermination des conditions aux limites en température des parois adiabatiques et au post traitement des données de PIV à l'aide d'une décomposition orthogonale basée sur l'énergie cinétique des champs de vitesse (POD). Cela a rendu possible, d'une part le calcul expérimental de quantités liées à la turbulence comme les flux d'enthalpie et des nombres adimensionnés pour la turbulence (Prandtl, diffusivité ... ) et, d 'autre part, l'évaluation de la contribution des autres termes des équations de Navier-Stokes (gradient de pression et terme source volumique). Enfin, une discussion sur les échelles caractéristiques de l'écoulement est menée et une comparaison avec des résultats de simulations numériques est apportée. / Natural convection flows in confined spaces are often turbulent (large dimensions and/or temperature difference ). Improving the knowledge of this type of regime and of the associated heat and mass transfers seems, therefore, to be essential. This experirnental work studies heat transfer mechanisms using coupled and synchronized measurernents of temperature and velocity in a turbulent natural convection flow at high Rayleigh number (Ra1-1=I.2 x1011) in a differentially heated cavity with a vertical aspect ratio (height/width) of 4. Velocity measurernents are acquired by PIV and temperature is measured with K-type micro-thermocouple (0=12.7 μm). Both measurementsystems are synchronized using a BNC® pulse generator. Thermal boundary conditions of the adiabatic walls and post treatment of PIV data using an orthogonal decomposition based on the kinetic energy of the flow - POD - have been considered with caution. It makes possible, on the one hand, the experimental assessment of turbulent quantities like enthalpy fluxes and dimensionless nurnber (Prandtl, diffusivity ... ) and, on the other hand the estimation of the contribution of the other terms of Navier-Stokes equations (pressure gradient and source term). Finally a discussion on characteristic scales of the flow and a comparison with numerical simulations are provided.

La gestion durable des boues résiduaires est l'un des grands enjeux du 21ème siècle. Si toutes les eaux usées produites par la population urbaine mondiale étaient traitées, ce qui est l’objectif ultime de l’OMS, 83 millions de tonnes de matières sèches seraient produites annuellement à l’horizon 2017. Pour réduire les coûts du traitement et de la valorisation des boues qui représentent la moitié de la facture de l’assainissement collectif, l’optimisation des procédés est nécessaire. Les ingénieurs ont donc besoin d’outils permettant d’adapter le fonctionnement des technologies de traitement aux caractéristiques des matériaux. Concrètement, les technologues ont besoin de connaître ou d’estimer le comportement en écoulement des boues, c’est-à-dire leurs propriétés rhéologiques, à chaque étape du traitement. Celles-ci ne pouvant être déterminées en continu, l’objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d’utilisation des propriétés électriques pour prédire les écoulements des boues. Au cours de ce travail de thèse, les comportements rhéologique et électrique d’une boue type ont été établis : ainsi les propriétés d’écoulement d’une boue résiduaire peuvent être décrites par un modèle d’Herschel-Bulkley modifié (de façon à prendre en compte les cisaillements très élevés) tandis que sa signature électrique pourra être représentée par un circuit équivalent de Maxwell. L’impact de paramètres majeurs comme la température et la teneur en matières sèches sur les propriétés rhéologiques et électriques des boues et sur leur corrélation a été étudié. Les résultats obtenus nous ont également permis de montrer comment la structure du matériau est liée à ces caractéristiques. Enfin, des outils spécifiques ont été mis au point, pour la mesure simultanée des propriétés électriques et rhéologiques des fluides organiques complexes. L’ensemble des résultats obtenus ouvre de nombreuses perspectives, opérationnelles et fondamentales. / Sludge management is one of the 21st century’s main issues. If the whole wastewater produced by worldwide urban population was treated, which is the ultimate goal of WHO, 83 million tons of dry matter could be annually produced until 2017. In order to reduce the costs of sludge treatment and reuse, which represent half of the collective sanitation bill, process optimization is needed. Engineers are in need of tools allowing them to adapt treatment technologies to material characteristics. More specifically, technologists need to know or to estimate sludge flow behavior, i.e. their rheological properties, at each step of the process. However, these properties can’t be continuously acquired. The purpose of this thesis is then to demonstrate the feasibility of the usage of sludge electrical properties to predict their flow. During this work, rheological and electrical behavior of one sludge type had been established: so flow properties of sludge can be described by means of a modified Herschel-Bulkley model (so that high shear rates are taken into account), whereas electrical properties can be represented by Maxwell’s equivalent circuit. Major parameters impacts, as temperature and dry matter content on sludge rheological and electrical properties and their correlation have been studied. The results we obtained allowed us to highlight the way the structure of the material is related to these properties. Finally, specific tools have been developed for simultaneous measurement of rheological and electrical properties of complex organic fluids. All the obtained results open many operational and fundamental prospects.