Cette thèse, de nature expérimentale, rentre dans le cadre de la récupération d’énergie pour les micro-générateurs et l’autonomie des dispositifs électroniques à faible consommation. Ce travail propose les possibilités de récupérer de l’énergie thermique par effet pyroélectrique. L’éner- gie thermique à convertir est une variation temporelle de température. Nous avons proposé deux principales techniques pour produire de l’énergie électrique via une céramique pyroélectrique de type PZT. La première est centrée sur la récupération des radiations infrarouges associé à la tech- nique SSHI. Originellement, la technique SSHI a été développée dans le cas de la récupération d’énergie piézoélectrique, mais nous l’avons appliqué dans le cas de la pyroélectricité et qui nous a permis de maximiser la puissance récupérée d’un facteur de 2. La seconde technique proposée concerne la récupération des fluctuations thermiques provenant des mouvements convectifs nais- sant à l’intérieur d’un fluide dans la configuration de Rayleigh-Bénard. Nous avons mené plusieurs études pour augmenter le transfert convectif dans le but d’améliorer la réponse pyroélectrique et donc maximiser la puissance récupérée. Dans le cas des convections naturelles, le choix de fluide adéquat et l’optimisation des paramètres de contrôle de la configuration Rayleigh-Bénard consti- tuent des étapes primordiales pour aboutir à un meilleur transfert thermique par convection. Dans le cas des convections forcée, il a été étudié l’intérêt de disperser des particules de Cuivre de taille nanométrique dans un fluide porteur pour augmenter plus davantage le transfert convectif. Avec ce nanofluide, la réponse pyroélectrique a été maximisée d’un facteur de 10. / This experimental thesis focuses on the energy harvesting for micro-generators and au- tonomy of electronic devices with low consumption. This work proposes the possibilities of har- vesting thermal energy by pyroelectric effect. The thermal energy to be converted is thermal fluc- tuations. We proposed two main techniques to generate electricity by pyroelectric ceramic. The first one focuses on the harvesting of infrared radiation associated with the SSHI technique. Ori- ginally, the SSHI technique was developed in the case of the piezoelectric energy harvesting, but we applied it in the case of pyroelectricity and which allowed us to maximize the harvested power by a factor of 2. The second proposed technique concerns the harvesting of thermal fluctuations resulting from convective movements originating inside a fluid in the Rayleigh-Bernard configu- ration. We have carried out several studies to increase the convective transfer in order to improve the pyroelectricresponse and maximize the harvested power. In the case of natural convection, the choice of a suitable fluid and the optimization of the control parameters of the Rayleigh-Bernard configuration are essential steps in order to achieve better heat transfer by convection. In the case of forced convection, it has been studied the advantage of dispersing copper nanoparticles in a pure fluid to increase the convective transfer. With this nanofluid, the pyroelectric response was maximized by a factor of 10.

Cette thèse, à la fois numérique et expérimentale, porte sur l’étude du transfert de chaleur par convection naturelle qui apparait au sein d’une cavité hémisphérique en régime stationnaire. L’enceinte est remplie d’eau ou de nanofluide de type eau / ZnO. La fraction volumique varie entre 0 (eau pure) et 10%. La coupole de la cavité est maintenue à température froide. Ce travail s’applique au domaine de l’ingénierie électronique et plus particulièrement au refroidissement des composants actifs de différentes formes. Trois géométries de sources de chaleur sont étudiées : la première est plane et circulaire (disque) et les suivantes, centrées sur le disque, de même surface d’échange, sont cubique et hémisphérique. L’angle d’inclinaison du disque varie entre 0 (coupole orientée vers le haut) et 180° (coupole orientée vers le bas) par rapport au plan horizontal. Les sources de chaleur génèrent des puissances qui conduisent à des Rayleigh importants. L’approche numérique est effectuée à l’aide de la méthode des volumes finis basée sur l’algorithme SIMPLE et un modèle monophasique. Pour chaque source active, le transfert de chaleur convectif est analysé et quantifié par l’intermédiaire d’une corrélation du type Nusselt-Rayleigh-Prandtl-angle d’inclinaison. D’un point de vue expérimental, la fabrication des sources de chaleur est minutieusement décrite étape par étape et le calcul du coefficient de transfert convectif moyen expérimental est détaillé. La comparaison mesures-corrélations remet en question l’efficacité du nanofluide en termes de refroidissement. / This numerical and experimental thesis deals with natural convective heat transfer that occurs in a hemispherical cavity in steady state. The enclosure is filled with water or ZnO / water nanofluid. The volume fraction varies between 0% (pure water) and 10%. The coupola of the cavity is kept at a cold temperature. This work corresponds to the field of electronics and the cooling of different actives composants. Three active heating sources are studied: the first one is plane and circular (the disc) and the followings, centered on the disc with the same surface, are cubical and hemispherical. The tilted angle varies between 0 (dome facing upwards) and 180° (dome facing downwards) with respect to the horizontal plane. Heat sources generate important heat fluxes leading to high Rayleigh numbers values. Numerical approach is done by means of the volume control method based on the SIMPLE algorithm and using monophasic model. For each active source, the convective heat transfer is analyzed and quantified by means of a correlation of the Nusselt-Rayleig-Prandtl-tilt angle type. Experimentally, the heat sources are built step by step and the average convective heat transfer coefficient is calculated. The comparison measures-correlations questions on the cooling nanofluid’s efficiency.

Au cours des dernières années, les exigences croissantes en matière de dissipation thermique à haut rendement pour la microélectronique, les engins spatiaux, les réacteurs nucléaires, etc., encouragent le développement d'échangeurs de chaleur de nouvelle génération. Le caloduc est l’un des équipements de refroidissement efficaces et potentiels. La plupart du transfert de masse et de chaleur se fait au niveau de la micro-région près de la ligne triple de contact (solide, liquide, vapeur), qui est essentielle à l'amélioration de la performance thermique du caloduc. Cette étude se concentre sur le processus d'évaporation de gouttes sessiles de deux nouveaux fluides de travail (solution binaire et nanofluide), qui possèdent une micro-région similaire à celle du caloduc. Le flux de Marangoni induit par le gradient de concentration et la conductivité thermique exceptionnelle devraient améliorer significativement le débit evaporé du mélange alcool-eau et du nanofluide de graphène, respectivement. Une combinaison de techniques acoustiques et infrarouges est développée pour suivre la variation de la concentration d'alcool pendant l'évaporation des gouttes des mélanges 1-butanol-eau et éthanol-eau. Selon l'observation du comportement d'évaporation à différentes températures du substrat, une série d'équations empiriques est suggérée pour prédire le taux d'évaporation de la solution binaire de 1-butanol-eau en considérant l'effet Marangoni thermal et solutal. De plus, l'effet de la PEGylation, de la concentration des nanoparticules et de la température du substrat sur l'évaporation de gouttes de graphène nanofluide est étudié par des méthodes microscopiques, optiques et infrarouges. Les résultats expérimentaux et l'analyse thermodynamique peuvent contribuer à la compréhension complète du mécanisme impliqué concernant les performances d'évaporation du nanofluide de graphène. / In recent years, increasing requirement in high efficient heat dissipation for micro-electronics, spacecraft, nuclear reactors etc., encourage the development of next generation heat exchanger. Heat pipe is one of potential effective cooling equipments and most of mass and heat transfer take place at micro-region near triple phase (solid, liquid, vapor) contact line of working fluid, which is essential to thermal performance improvement of heat pipe. This study focuses on the evaporation process of sessile droplets of two novel working fluids (binary solution and nanofluid), which possess similar micro-region to that in heat pipe. Concentration gradient induced Marangoni flow and exceptional thermal conductivity are expected to significantly enhance evaporation rate of alcohol-water mixture and graphene nanofluid, respectively. A combination of acoustic and infrared techniques is developed to track alcohol concentration variation during evaporation of 1-butanol and ethanol aqueous droplets. According to observation of evaporation behavior at different substrate temperature, a series of empirical equations is suggested to predict evaporation rate of 1-butanol-water binary solution droplet considering thermal and solutal Marangoni effect. In addition, the effect of PEGylation, nanoparticle concentration and substrate temperature on drop evaporation of graphene nanofluid are investigated by microscopic, optical and infrared methods. Experimental results and thermodynamic analysis can contribute to the full understanding of involved mechanism concerning evaporation performance of graphene nanofluid.

Cette thèse présente les résultats de deux études : la première concerne la convection naturelle turbulente dans une cavité rectangulaire chauffée uniformément par le bas et remplie d’un nanofluide et la seconde concerne l’investigation du transfert de chaleur conjugué dans un échangeur de chaleur à tubes ailetés.L’enceinte de la première étude a un faible rapport d’aspect. Ses parois gauche, droite et supérieure sont maintenues à une température relativement basse. Le fluide de travail est un nanofluide constitué d’eau et de nanoparticules, soient d’alumine (Al2O3), ou de cuivre (Cu) ou d’oxyde de cuivre (CuO). L’influence des paramètres tels que le nombre de Rayleigh (basé sur la hauteur H de la cavité et la densité de flux de chaleur), le type de nanofluide et la fraction volumique des nanoparticules sur la performance de refroidissement est présentée. Les équations de Navier-Stokes et les équations de conservation de la masse et de l'énergie sont résolues pour une géométrie bidimensionnelle par la méthode numérique des volumes finis. L'algorithme SIMPLE est utilisé pour le couplage pression-vitesse. La discrétisation des termes convectifs est faite avec le schéma QUICK. Le modèle de turbulence k-epsilon standard est utilisé. Le maillage du domaine simulé est généré par le code Gambit. Les résultats montrent que pour toutes les valeurs de Ra, le nombre de Nusselt moyen augmente d’une façon linéaire et monotone avec l’augmentation de la concentration des nanoparticules dans le fluide de base. Le flux de chaleur moyen prend des valeurs qui diminuent en fonction de l’ordre suivant : Cu, CuO et Al2O3.La deuxième étude est une investigation numérique des caractéristiques dynamique et thermique d'un échangeur de chaleur. Les calculs supposent un transfert de chaleur et un écoulement en régime permanent. Le nombre de Nusselt et le coefficient de frottement qui caractérisent l'échangeur de chaleur sont déterminés pour différentes valeurs du nombre de Reynolds. L’équation de conservation de l'énergie dans le fluide et l’équation de conduction de la chaleur dans le solide en trois dimensions ont été résolues avec les équations de la conservation de la masse et de la quantité de mouvement afin de déterminer ces caractéristiques. Les deux régimes d'écoulement laminaire et turbulent sont considérés. L'effet de la modélisation de la turbulence a été étudié en utilisant trois modèles différents (Spalart-Allmaras modèle de turbulence à une équation, le modèle k-epsilon ; standard et le modèle RSM). La validation du modèle a été effectuée en comparant les facteurs de frottement, f, et le facteur, j, de Colburn avec les données expérimentales trouvées dans la littérature. Les résultats tracés ont montré un bon accord qualitatif entre les résultats numériques et les données expérimentales. Les résultats montrent également que le plus simple des trois modèles de turbulence testés (à savoir. Spalart-Allmaras) donne les valeurs les plus proches des données expérimentales. / This thesis presents the results of two studies: the first concerns natural turbulent convection in a rectangular cavity heated from the bottom wall and filled with a nanofluid and the second relates to the investigation of conjugate heat transfer in a fin-and-tube heat exchanger.The cavity of the first study is tall and has a heat source embedded on its bottom wall, while its left, right and top walls are maintained at a relatively low temperature. The working fluid is a water based nanofluid having three nanoparticle types: alumina, copper and copper oxide. The influence of pertinent parameters such as the Rayleigh number, the type of nanofluid and solid volume fraction of nanoparticles on the cooling performance is studied. Steady forms of twodimensional Reynolds-Averaged-Navier-Stokes equations and conservation equations of mass and energy, coupled with the Boussinesq approximation, are solved by the volume control based on the discretisation method employing the SIMPLE algorithm for pressure-velocity coupling. Turbulence is modeled by using the standard k-epsilon model. The Rayleigh number, Ra, is varied from 2.49xE09 to 2.49xE11. The volume fractions of nanoparticles where varied too. Stream lines, isotherms, velocity profiles and temperature profiles are presented for various combinations of Ra, the type of nanofluid and solid volume fraction of nanoparticles. The results are reported in the form of average Nusselt number on the heated wall. It is shown that for all values of Ra, the average heat transfer rate from the heat source increases almost linearly and monotonically as the solid volume fraction increases. Finally the average heat transfer rate takes on values that decrease according to the ordering Cu, CuO and Al2O3.In the second study We determined the heat transfer and friction characteristics of a realistic fin-and-tube heat exchanger. The computations assume steady-state heat transfer and fluid flow. Nusselt number and friction factor characteristics of the heat exchanger are presented for various values of Reynolds numbers. The energy conservation and the heat conduction equations in 3 dimensions have been solved in the fluid and the solid respectivelyalong with the mass and momentum conservation equations in order to determine these characteristics. Both laminar and turbulent flow regimes are considered. The effect of turbulence modeling was investigated using three different models (the one equation Spalart-Allmaras turbulence model, the standard k-epsilon; model and the RSM model). The computations allowed the determination of the dynamic and thermal fields. Model validation was carried out by comparing the calculated friction factor f and Colburn j-factor to experimental results found in the literature. The plotted results showed a qualitatively good agreement between numerical results and experimental data. The results obtained also showed that the simplest of the three turbulence models tested(i.e. Spalart-Allmaras) gives the closest values to the experimental data.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier, sous différentes conditions d'écoulement, la rhéologie et l'électrorhéologie de suspensions de nanoparticules (taille comprise entre 10 nm et 200 nm) appelées plus couramment nanofluides, afin de quantifier l'importance des principaux paramètres impliqués dans la valeur de leur viscosité. Une approche inédite, la rhéologie à très fort taux de cisaillement, a permis de distinguer pour les nanofluides le régime d'agrégation péricinétique dominé par le mouvement Brownien, du régime d'agrégation orthocinétique dominé par les interactions hydrodynamiques. La transition entre ces deux régimes a pu être atteinte grâce à la conception de microrhéomètres capillaires à capteurs de pression intégrés, dont la réalisation ont constitué une partie importante de ce travail. Les résultats de ces recherches mettent en évidence une corrélation entre l'augmentation du nombre de Peclet Pe quantifiant l'importance des interactions hydrodynamiques par rapport aux interactions Browniennes et la taille des agrégats au passage de la transition Pe=1. Des conclusions nettes ont été tirées sur la prépondérance du rôle des agrégats dans la rhéologie des nanofluides et sur l'influence des conditions d'écoulement sur leur forme.

La controverse concernant les mécanismes proposés pour l’intensification de la conductivité thermique et de la forte augmentation de la viscosité suggère que les expériences avec des nanofluides bien dispersés et correctement caractérisés seraient intéressantes. Par conséquent, nous nous sommes fixés comme objectif la caractérisation de la conductivité thermique et la viscosité de deux nanofluides “eau-oxyde de silice“ et “eau-titanium“. Il a été observé que la conductivité thermique des deux nanofluides considérés concorde bien avec la théorie du milieu effectif, à savoir, le modèle de Maxwell, et ne montre aucune amélioration par rapport aux effets associés aux mécanismes proposés de l’intensification du transfert du nanofluide tels que le mouvement brownien ou l’effet de stratification. Pour confirmer ce résultat, nous avons également mesuré la conductivité thermique du nanofluide eau contenant une suspension de nanotubes de carbone NTC. Nous constatons que la conductivité thermique de ce nanofluide NTC est également en bon accord avec le modèle de Maxwell. Les disparités et les incohérences publiées par les différents groupes sur les résultats et modèles de la conductivité thermique ainsi que la viscosité du nanofluide se trouvent être principalement dues à la qualité du nanofluide telles que la stabilité colloïdale, la taille des particules, la formation des agrégats, etc… Par ailleurs, l’influence des incertitudes en raison de l’adoption de différents modèles sur le transfert de chaleur par convection naturelle a été étudiée. Il a été observé que les incertitudes dans les modèles prédictifs peuvent conduire à des évaluations erronées du transfert convectif. / The controversy regarding the proposed mechanisms of the exceptionally enhanced thermal conductivity of nanofluids, as well as sharp increase of nanofluid viscosity suggest that systematic experiment with well dispersed and well characterized nanofluids are highly desired. Therefore, on the basis of this suggestion, thermal conductivity and viscosity of silica-water and titania-water nanofluids were measured. It was observed that the thermal conductivity of both nanofluids agrees well with the effective medium theory, i.e., Maxwell model, and does not show any enhancement due to effects associated with the proposed mechanisms of thermal energy transfer in nanofluids like Brownian motion or liquid layering. To support these results, the thermal conductivity of water based nanofluid containing carbon nanotubes was measured. It was found that that thermal conductivity of CNTs nanofluids agrees well with Maxwell model up to 1 vol.%. The inconsistencies in the reported thermal conductivity and dynamic viscosity from different research groups are found to be mainly due to the characterization of the nanofluid, including determination of colloidal stability and particle size, (i.e, aggregates size) within nanofluid. The influence of uncertainties due to adopting various formulas for the dynamic viscosity on natural convection heat transfer was investigated. It was observed that uncertainties in the predictive models for the effective thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids, leads to erroneous evaluation of the convective heat transfer with nanofluids, and this acts as a brake on research in the area.