Le cycle de vie pélagique annuel des Phocidés est interrompu à deux reprises pour la reproduction et la mue, à terre ou sur la banquise. La mue est une étape essentielle pour le renouvellement du poil et de l’épiderme chez certains Monachinae. Les éléphants de mer austraux (Mirounga leonina) forment des agrégations dans des flaques de boue, ou « souilles », lorsqu’ils muent. La mue, chez cette espèce, entraîne des pertes thermiques importantes par vasodilatation périphérique. La thermorégulation sociale (i.e. agrégation d’animaux) a permis à de nombreuses espèces d’oiseaux et de mammifères d’économiser de l’énergie. Néanmoins, l’étude du comportement et de l’énergétique de la mue chez l’éléphant de mer austral a été jusqu’ici peu développée. Notre travail de recherche repose sur l’hypothèse que le comportement d’agrégation des éléphants de mer austraux répondrait aux mêmes déterminants que le mécanisme de thermorégulation sociale et entraînerait des bénéfices thermiques et énergétiques. Nous avons étudié le comportement de mue des éléphants de mer austraux femelles en lien avec les paramètres environnementaux locaux et physiologiques individuels. Nous avons mis en évidence que la sélection de l’habitat, les déplacements à terre et le comportement d’agrégation dépendent de l’avancement de la mue, du type d’habitat et des conditions météorologiques. Au pic de la mue, les pertes thermiques sont augmentées, les femelles se déplacent moins et s’agrègent davantage. De plus, les éléphants de mer s’agrègent en plus grand nombre lorsque les conditions météorologiques se dégradent, ceci principalement dans les « souilles ». Cependant, ils augmentent aussi leurs déplacements lorsque la température de l’air ressentie (i.e. combinaison température-vitesse du vent) est basse ou lorsque l’insolation augmente. De plus, les individus agrégés ont une température corporelle (stomacale et de surface) en moyenne plus basse que les individus isolés. Le taux métabolique augmenté pendant la mue serait lié aux contraintes thermiques et à une activité hormonale augmentée. Bien que le comportement d’agrégation n’ait pu être mis en relation avec la perte de masse, celui-ci est corrélé à une diminution du taux métabolique. Ainsi, les éléphants de mer femelles sont sensibles aux variations environnementales et adapteraient leur comportement en diminuant leurs dépenses énergétiques. Le comportement d’agrégation permettrait de diminuer le coût de thermorégulation par diminution des pertes thermiques. Les « souilles » sont thermiquement avantageuses et permettraient d’optimiser la diminution des pertes thermiques par agrégation et de favoriser la mue. La diminution des pertes thermiques permettrait la modulation de la température interne des individus agrégés (baisse du coût de la thermorégulation), et l’énergie économisée pourrait être ainsi réallouée à la mue. Il semblerait que des stratégies individuelles de compromis entre déplacements et agrégation soient mises en place en fonction des réserves énergétiques des individus et en vue de diminuer leurs dépenses énergétiques. De nouvelles méthodes prometteuses de mesures physiologiques chez cette espèce et appliquées sur le terrain (mesure de la fréquence cardiaque par implant sous-cutané et de la composition corporelle par bio-impédancemétrie) permettraient, une fois standardisées, d’évaluer le métabolisme des éléphants de mer austraux au cours de leur mue ainsi que leur dépense énergétique, en lien avec les variations individuelles. / Annual life cycle of Phocids at sea is interrupted twice for reproduction and moult on land. The moult, an energetically costly phase, is essential for the renewal of hair, as well as epidermis in some monachine seals (Mirounga and Monachus). Southern elephant seals (Mirounga leonina) huddle in mud pools, or “wallows”, while moulting on land. Peripheral vasodilatation through the isolating layer of the blubber to renew skin cells during the moult creates major heat loss, that’s why this species moult on land, fasting, rather than staying in water. Many bird and mammal species developed an energy saving strategy based on social thermoregulation in order to decrease heat loss, especially in extreme environments or particular physiological stages. However, few studies have investigated behavioural and physiological adaptations of southern elephant seals during the moult. Our study rests on the hypothesis that huddling behaviour of moulting elephant seals follows the same determinants and allows equivalent thermal and energetic benefices than social thermoregulation. We studied behavioural adaptations on land of female southern elephant seals during five moult seasons, linked to local environmental and individual physiological variations. Our results show that habitat selection, distances moved on land and aggregation behaviour are influenced by the stage of the moult, the habitat type and meteorological conditions. At the peak of moult, heat loss and aggregation behaviour are both increased, as movements on land are decreased. Moreover, aggregation rate and aggregations size increase when local weather is deteriorated, mainly in “wallows”. However, distances moved increase when windchill is low or solar radiation is high. Furthermore, aggregated seals have a lower body temperature (skin and stomach) than isolated seals. The elevated metabolic rate observed would be linked to thermal constraints and an elevated hormonal metabolism. Although we found no correlation between aggregation and body mass loss, individual aggregation rate was negatively correlated to metabolic rate. Therefore, elephant seals are sensible to environmental conditions and would adapt their behaviour to decrease energy expenditure. Aggregation behaviour allows to decrease heat loss and thus thermoregulation cost. “Wallows” offer thermal advantages and induce an increased moult rate, supposedly by maximising the decrease in heat loss when aggregated. Decreased heat loss would allow an adjustment in body temperature in aggregated seals and energy save from thermoregulation could be reallocated to the moult process. Elephant seals seem to balance movements on land and aggregation, in relation to individual body reserves, in order to decrease energy expenditure. New promising methods to record physiological parameters in the field (heart rate method and the use of bio-impedancemetry) need to be calibrate in this species to allow more precised moult metabolism and energy expenditure records, linked to individual variations.

La conception des chambres de combustion industrielles (chambres de combustion aéronautiques, fours industriels, etc.) requiert une prédiction fine des phénomènes physiques dominants. En particulier, l’interaction flamme turbulence aux échelles résolues et non-résolues, l’impact de la composition et du mélange des réactifs, l’impact des pertes thermiques et de la diffusion différentielle doivent être capturés fidèlement. C’est dans ce contexte que le modèle de combustion turbulente F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistryfor Large Eddy Simulation) a été développé afin de coupler une méthode de chimie tabulée (FPI) avec le formalisme de la simulation aux grandes échelles(LES).Dans cette thèse, le modèle F-TACLES, initialement développé pour des écoulements adiabatiques, est étendu à la prise en compte des pertes thermiques. Un formalisme adapté à l’utilisation de bases de chimie tabulée calculées avec la diffusion différentielle est aussi proposé. Ces développements sont validés sur deux configurations : le brûleur TSF et le brûleur SWB.La modélisation de l’interaction flamme-turbulence est ensuite étudiée. Une étude de sensibilité du modèle de plissement de sous-maille de Charlette et al. (2002) à ses paramètres et sous-modèles est réalisée sur le brûleur SWB.En particulier, une méthode d’estimation dynamique des paramètres est aussi évaluée et montre d’excellents résultats. Une généralisation du formalisme de la LES pour les écoulements réactifs est ensuite proposée afin de prendre en compte explicitement les deux filtres mis en jeu dans les simulations : le filtre associé à l’écoulement et le filtre associé à la flamme. Deux stratégies de fermetures sont proposées en se basant sur des modèles existants (F-TACLES et TFLES). Le modèle obtenu, appelé modèle F2-TACLES, est ensuite validé et comparé avec F-TACLES sur la configuration semi-industrielle PRECCINSTA.Pour terminer, la capacité du modèle F-TACLES à capturer l’impact des pertes thermiques et de la composition des gaz frais sur la topologie de flammes est évaluée. Cette étude est réalisée sur une série de flammes CH4-H2-Air turbulentes en giration et prenant des formes différentes en fonction du niveau de pertes thermiques et de la composition des réactifs. / The design of industrial combustion chambers (aeronautical engines, industrial furnaces, etc.) require a fine prediction of the different governing phenomena. Flame-turbulence interaction at resolved and unresolved scales, impact of reactants composition and mixing process, impact of heat losses and differential diffusion have to be correctly captured in such configurations. For that purpose,the turbulent combustion model F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry forLarge Eddy Simulation) has been developed to couple tabulated chemistry with large eddy simulation (LES) formalism.In this thesis, the F-TACLES model, initially developed for unity Lewis number and adiabatic flows, is extended to account for heat losses. A formalism allowing the use of chemical databases (1-D premixed flames) computed with differential diffusion is also proposed. The extended model is validated on two different configurations: the TSF burner and the SWB burner. Modeling of flame-turbulence interaction is then studied. For unresolved flame turbulence interactions, a sensitivity analysis of the Charlette et al. (2002) sub-grid scale wrinkling model to its own parameters and sub-models is performed on the SWB burner. A dynamic estimation of the model parameter is also assessed and showed very promising results. For resolved flame-turbulence interactions, a generalized formalism of the LES of reactive flows is proposed in order to account explicitly for both flame and flow filters. Two closure strategies are proposed based on the F-TACLES and TFLES models. The F2-TACLESmodel is then validated and compared to the original formulation of the FTACLES model. This study is performed on the lean premixed semi-industrial PRECCINSTA burner.The ability of the extended F-TACLES model to capture the impact of both heat losses and fresh gas composition on the flame topology is assessed. This study is conducted on a CH4-H2-Air turbulent and swirling flame series. These flames exhibit very different shapes depending on the level of heat losses and fuel composition.

Dans la première partie de cette thèse de doctorat une méthodologie est présentée qui permet de prédire les niveaux de suies produits dans des flammes laminaires monodimensionnelles, ou un modèle semi-empirique de suies est utilisé en combinaison avec une chimie complexe et un solveur radiatif détaillé. La méthodologie est appliquée au calcul de suies dans une série de flammes de diffusion à contre-courant d'éthylène/air. Plusieurs modèles d'oxydation de suies sont testés et les constantes du modèle sont ajustées afin de retrouver un meilleur accord avec les expériences. L'effet des pertes thermiques radiatives sur la formation de suies et la structure des flammes est évalué. Finalement, la performance du modèle de suies est évalué sur des flammes prémélangées monodimensionnelles, ou une expression alternative du terme de croissance de surface est proposée pour reproduire les résultats expérimentaux. Dans la deuxième partie de cette thèse, des outils de Simulation aux Grandes Échelles (SGE) et d'analyse acoustique sont appliqués à la prédiction des oscillations de cycle limite (OCL) d'une instabilité thermo-acoustique qui apparaît dans un brûleur académique partiellement prémélangé de méthane/air à pression atmosphérique. La SGE prédit bien l'apparition et le développement des OCL est un bon accord est trouvé entre simulations et expériences en termes d'amplitude et fréquence des OCL. La simulation permet de révéler certains aspects clés responsables du comportement instable de la flamme. Ensuite, une analyse préliminaire de la quantification des incertitudes est fait, ou l'effet des paramètres tels que l'impédance des entrées, le degré de raffinement du maillage ou les pertes thermiques sur les caractéristiques des OCL est évalué. Aussi, la SGE prédit bien la dépendance de la stabilité de la flamme du point d'opération et de la géométrie du brûleur / In the first part of the present PhD. thesis a methodology is presented that allows to predict the soot produced in one-dimensional academic flames, where a semi-empirical soot model is used in combination with a complex chemistry and a detailed radiation solver. The methodology is applied to the computation of soot in a set of ethylene/air counterflow diffusion flames. Several oxidation models are tested and the constants of the model were adjusted to retrieve the experimental results. Also, the effect of radiative losses on soot formation and the flame structure is evaluated. Finally, the performance of the soot model is evaluated on 1D premixed flames, where an alternative expression for the surface growth term is proposed to better reproduce the experimental findings. In the second part of the thesis, Large-Eddy Simulation (LES) and acoustic analysis tools are applied to the prediction of limit cycle oscillations (LCO) of a thermo-acoustic instability appearing in a partially premixed methane/air academic burner operating at atmospheric pressure. The LES captures well the appearance and development of the LCO and a good agreement is found between simulations and experiments in terms of amplitude and frequency of the LCO. Some light is shed on the mechanisms leading to the existence of such instability. Then, a preliminar uncertainty quantification (UQ) analysis is performed, where the effect on the features of the LCO of several computational parameters such as the inlets impedances, mesh refinement or heat losses is assessed. Also, the LES captures well the flame stability behaviour dependence on the operating point and the burner geometry

Actuellement, la plupart des fabricants de pompes à chaleur (PAC) fournissent les valeurs de coefficients de performances (COP) obtenus en laboratoire en conditions contrôlées et standardisées. Une méthode prometteuse, appelée méthode de mesure des performances dans la suite, d’évaluation des performances de PAC in situ, basée sur le bilan énergétique du compresseur, a été présentée par Tran et al. (2013). Cette méthode détermine le débit de fluide frigorigène et est compatible avec différents types de PAC, notamment air-air, et des cycles frigorifiques plus complexes.Tran et al. (2013) ont déterminé que l’incertitude sur l’évaluation de pertes thermiques du compresseur contribue à hauteur de 40% sur l’erreur d’estimation de la puissance thermique. L’objectif de cette thèse est d’établir une méthode simplifiée quant à l’instrumentation pour mesurer les pertes thermiques in situ. Pour cela, deux modèles numériques détaillés sont développés afin d’examiner la distribution de température sur l’enveloppe de deux types de compresseurs, scroll et rotary. Les mesures expérimentales fournies par un fabricant de compresseurs, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), sont utilisées pour calibrer et valider les modèles numériques. Ces derniers permettent de définir deux protocoles de mesures différents pour les deux compresseurs. Ensuite, le protocole établi pour le compresseur rotary est intégré dans la méthode de mesures des performances. Les puissances thermiques calculées sont comparées avec des valeurs de référence, obtenues à partir d’un prototype en banc d’essai à EDF Lab Les Renardières. / Currently, most heat pump(HP) manufacturers provide coefficient of performance (COP) values obtained in laboratories under standardized controlled operating conditions. These COP values are not necessarily representative of those obtained on-field. A promising method, referred to as the performance assessment method, that measures heat pump performances in-situ based on compressor energy balance, was presented by Tran et al. (2013). The method determines refrigerant mass flow rate and has the capability of measuring performances of various HP types, such as air-to-air, as well as more complex refrigeration cycles. The method abstains from intrusive measurements, and is, therefore, perfectly suitable for in-situ measurements.As shown in the work of Tran et al. (2013), compressor heat losses account for 40% in the final uncertainty of performance values obtained with the performance assessment method. The objective of this thesis is to establish a rather simplified measurement method, in terms of instrumentation, that is used to determine compressor heat losses in-situ. For this purpose two detailed numerical models for assessing the temperature fields of the scroll and rotary compressor shells were developed. Experimental measurements obtained with the help of compressor manufacturer, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), are used to validate and calibrate the numerical models. The developed numerical models allow to define two different measurement protocols for both compressors. Established compressor heat loss protocol for rotary compressor is then integrated in the performance assessment method and the obtained heating capacities are compared with reference measurements in an experimental test bench in EDF Lab Les Renardières.