La maitrise de l'histoire thermique lors de la En particulier, son comportement en réflexion est dépose automatisée de bandes composites à matrice analysé en fonction de la direction des fibres et de thermoplastique est incontournable pour prédire la l'angle d'incidence. D'autre part, un dispositif qualité des pièces produites. La mesure directe de expérimental est développé pour caractériser les température étant difficile dans la configuration du transferts thermiques lors du chauffage d'un pli par procédé, elle est généralement estimée par des une diode laser. Une métrologie spécifique est méthodes numériques. Du fait de la faible épaisseur déployée pour permettre la mesure de la température des plis, de leur anisotropie, mais aussi de l'utilisation de surface et du flux transmis sur des temps courts croissante de diodes laser infrarouge comme source (25 ms). On montre qu'il est nécessaire de considérer de chauffage, la définition réaliste des conditions à la la microstructure des plis afin de rendre compte des limite aux différentes interfaces reste un enjeu mécanismes d'absorption du flux laser en surface et important de la modélisation thermique. L'objectif de de transmission du flux thermique à l'interface avec ce travail est de mener une étude du comportement un outil métallique. L'étalement et la position de la thermique d'un pli dans les conditions de procédé. zone impactée dépendent alors de la dispersion des D'une part, les propriétés radiatives du matériau, fibres. nécessaires à l'établissement du bilan de l'interaction avec le laser, sont caractérisées par spectroscopie infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde et de température du procédé. / When manufacturing a composite part by Automated A special care is given to the surface reflective FLber Placement, a fine understanding of the laminate behavior, and its evolution with fibers orientation and thermal history throughout the process is required in beam incident angle. On the other hand, an order to predict its final performances. Yet, direct experimental device is developed for measuring heat temperature measurements on the placement head is transfers occurring in the ply when heated by an uneasy, and the evolution of thermal fields is often infrared laser diode. A specific metrology had to be obtained via numerical simulations. Due to the implemented for measuring surface temperature and thinness of the ply, its anisotropy, and the lay-up transmitted flux on short time ranges (25 ms). lt was motion, the various boundary conditions have to be shown that the ply microstructure must be taken into carefully set-up when modelling heat transfer in AFP. account to model the flux absorption on its top This works aims at analyzing heat transfer occurring surface, and the flux transmission at its interface with at a single ply scale during AFP process. On one the stainless steel mold. Both zones thickness hand, the radiative properties of the composite characterize the fiber dispersion inside the polymer material are characterized with infrared spectroscopy, matrix. in the process spectral and temperature range.

Cette étude a pour objectif la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur couplés conduction-rayonnement, en régime transitoire, dans les isolants thermiques du bâtiment, en vue de leur optimisation. Nous avons étudié deux matériaux poreux très différents : des mousses de polystyrène extrudé (XPS) et un isolant en fibres de bois. Les propriétés radiatives ont été identifiées par méthode inverse. Nous avons ainsi mis en évidence la très faible contribution du transfert radiatif pour la laine de bois étudiée. Un modèle de prédiction des propriétés radiatives à partir des données morphologiques a été adopté pour les mousses XPS, puis validé grâce à différentes mesures. Nous avons montré que les propriétés radiatives sont très dépendantes des paramètres morphologiques ainsi que des indices optiques du polystyrène, et qu'un effort de caractérisation doit être fait pour des structures anisotropes. Enfin nous avons validé le code de résolution du transfert couplé conduction-rayonnement en régime transitoire grâce à des mesures fluxmétriques effectuées sur les isolants pris séparément puis mis en assemblages. Dans le cadre de l'isolation thermique du bâtiment, nous avons montré que les flux thermiques aux frontières des isolants en régime transitoire étaient identiques au cas où on considère la conductivité thermique totale qui prend en compte les contributions radiative et conductive. Nous avons montré l'importance des inerties thermiques grâce à des simulations annuelles du comportement de parois. / The objective of this study is to better understand the mechanisms of the coupling radiative-conductive heat transfer of thermal building insulators used in a transient regime. Two insulating materials were studied in this work: extruded polystyrene foam (XPS) and wood wool. The radiative properties were determined using the inverse method. We demonstrated that the contribution of the radiative heat transfer of the wood wool was quite small. For XPS, radiative properties are more significant and are a function of the foam morphological structure as well as the optical indices of the polymer matrix. A model was developed for isotropic XPS material, however additional developments are needed to better characterize the effects of the foam anisotropy. The coupling radiative-conductive heat transfer in a transient regime was analyzed and validated with the heat flux meter measurement. The experiments were performed with a single insulating element and with various combinations of them. For building thermal insulation in a transient regime, we demonstrated the heat fluxes at the borders of insulators, determined by the coupling solution, are identical when considering the total thermal conductivity which includes radiative and conductive heat transfer. The individual contribution of radiative and conductive heat transfer was not noticeable, however the thermal inertia of the material contributed to delay the heat peak.

Dans le cadre d'un projet sur un procédé de projection de cuivre sur des matériaux composites par torche plasma, l'objectif de ce travail est de calculer les propriétés radiatives et de transport pour un mélange Ar/H2/Cu, pour des températures comprises entre 300K et 25000K, et à la pression atmosphérique. En supposant l'ETL, le calcul préalable de la composition permet de déterminer les coefficients de transport et les propriétés radiatives suivant trois méthodes :<br /><br />- le coefficient d'émission nette pour un milieu homogène et isotherme constituant une assez bonne approximation du rayonnement émis par les régions les plus chaudes. <br /><br />- le ‘coefficient moyen d'absorption' basé sur un découpage préliminaire de l'ensemble du spectre en quelques intervalles, la valeur du coefficient d'absorption étant supposée constante dans chacun d'eux pour une température donnée. Cette méthode est intéressante pour trois raisons : sa cohérence avec les valeurs du coefficient d'émission nette dans les régions chaudes ; le calcul explicite de l'absorption du rayonnement dans les régions tièdes du plasma ou dans le gaz froid environnant ; l'utilisation de ces données dans des codes de calcul de mécanique des fluides appliqués aux plasmas thermiques. <br /><br />- la méthode de Chapman-Enskog utilisée pour déterminer les coefficients de transport et basée sur la résolution de l'équation intégro-différentielle de Boltzmann. Une étude critique des intégrales de collision a permis de sélectionner un jeu cohérent de valeurs permettant le calcul original des coefficients de transport pour notre mélange ternaire. <br /><br />Enfin, une étude expérimentale du jet de plasma a été également menée dans le cadre de cette thèse. A partir de méthodes de diagnostics par spectroscopie d'émission, le principal objectif consiste à caractériser l'état d'un plasma Ar/H2 en présence de cuivre et à déterminer les paramètres fondamentaux de la décharge (température, densités des diverses espèces).

Les superisolants thermiques sont largement étudiés car il permettraient de réduire les émissions de $\mathrm{CO}_2$. Nous voulons modéliser les propriétés radiatives de matrices nanoporeuses de silice qui sont les composants majeurs de ces matériaux. Des échantillons ont été fabriqués puis caractérisés sur la plage de longueur d'onde [250~nm ; 20~mm]. Nous avons ensuite calculé leurs propriétés radiatives avec une méthode inverse. Les échantillons étant constitués de particules quasisphériques, nous avons modélisé leurs propriétés radiatives avec la théorie de Mie. La notion de diffuseur représentatif nous permet d'obtenir un accord satisfaisant sur l'ensemble de la plage de longueurs d'onde étudié, sauf aux petites longueurs d'onde (\(\lambda \leq 1\, \mu \mathrm{m}\)) car la théorie de Mie ne peut pas prendre en compte la structure des agrégats. Nous avons donc développé un code basé sur l'approximation dipolaire discrète qui améliore les résultats, les calculs se basant sur des agrégats générés avec différents algorithmes.

Les nuages jouent un rôle important dans l'évolution de l'atmosphère météorologique et dans le contrôle du climat. Or leur représentation paramétrique dans les modèles numériques de prévision météorologique et climatologique n'est toujours pas validée à ce jour. La préoccupation de la communauté scientifique internationale d'être à même de mieux contrôler à l'échelle globale l'effet radiatif des nuages a stimulé plusieurs programmes spatiaux mettant en œuvre une combinaison radar-lidar (CLOUDSAT/CALIPSO et EarthCare). De telles expériences spatiales ont besoin de démonstrateurs aéroportés tels que RALI (système synergique RAdar nuage - LIdar), qu'il s'agisse de la mise au point des algorithmes de traitement de données, ou de la validation des produits de la mission spatiale. Ainsi, le projet RALI vise le développement et l'exploitation d'une combinaison instrumentale radar-lidar aéroportée ou au sol, pour documenter les profils verticaux des propriétés microphysiques, dynamiques et radiatives des nuages glacés non précipitants. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Dans un premier temps, un modèle inverse reliant les paramètres de télédétection aux paramètres nuageux a été construit. Ce modèle permet de s'affranchir de la forme de la distribution dimensionnelle des particules; il sert de base à l'application de l'algorithme synergique radar-lidar. Celui-ci, prenant en compte la variation verticale de la concentration des particules nuageuses, a également été développé. Des tests de simulation ont été effectués afin de déterminer sa robustesse, sa précision et les conditions optimales d'application. Les résultas obtenus sur des cas d'expérimentations instrumentales (Clare'98, Carl'99 et Clare'2000), comparés à des mesures in-situ microphysiques, ont montré sa capacité à restituer le rayon effectif des particules nuageuses, le contenu en glace et l'épaisseur optique des nuages sondés. L'algorithme est également capable de restituer le contenu en eau des couches de phase mixtes et sa capacité a été testée sur un cas d'altocumulus de Clare'2000.

L'interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les apports anthropiques participent à l'îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la performance énergétique des bâtiments. L'objectif de cette étude est de définir l'impact de la modification des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par l'utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux sensibles et l'impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des milieux urbains denses, la rue canyon. Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes nous a permis de développer par une méthode d'optimisation un procédé de détermination simultané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de mesure. L'utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite analysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10ème) de scène urbaine a été conçue sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l'objet de mesures de températures et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a permis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément et ont permis d'analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-faces et d'air. Afin d'estimer les économies d'énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi que l'impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de façade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l'interaction du bâti et du micro-climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d'envisager le développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globales.

Pour relever le défi énergétique du 21 ième siècle, une solution consiste à mettre au point des procédés solaires de production de vecteurs énergétiques par photosynthèse artificielle permettant la synthèse photo-catalytique de carburants solaires. L’obtention de performances cinétiques et énergétiques élevées pour ces procédés nécessite le développement d’outils de conception optimale tels des modèles de connaissance robustes et prédictifs considérant le transfert de rayonnement comme processus physique contrôlant le procédé à plusieurs échelles. Une chaine prédictive de modélisation, avec ses différents maillons, a donc été développée, mise en œuvre et validée sur une réaction modèle de photo-production d’hydrogène à partir d’une suspension de particules de CdS. Ainsi, à partir de leurs caractéristiques (taille, forme...) et de leurs propriétés optiques, les propriétés radiatives des particules, à savoir sections efficaces d’absorption, de diffusion et fonction de phase ont été calculées au moyen de la théorie de Lorenz-Mie et validées par des mesures de transmission sur un banc optique de précision. Ces paramètres ont ensuite été utilisés comme données d’entrée pour la résolution de l’équation de transfert radiatif, effectuée au moyen de la méthode de Monte Carlo. L’accord entre transmissions prédite et expérimentale, tenant compte éventuellement de la diffusion du rayonnement par les bulles d’hydrogène, est bon dans la bande spectrale absorbée. En parallèle, l’utilisation d’un équipement complet et d’une chaine d’acquisition de mesures autour d’un petit photoréacteur d’étude, pour lequel les densités de flux incidentes ont été validées par actinométrie, a permis d’obtenir des résultats expérimentaux de haute précision en photo-production d’hydrogène. Un premier modèle de couplage thermocinétique original a alors été formulé, validé après identification d’un seul paramètre agrégé, dont la réification sera abordée ultérieurement, et utilisé de façon prédictive avec succès. Ce travail ouvre de très nombreuses perspectives de recherche, il a ainsi permis de vérifier la possible transposition à la photosynthèse artificielle de la chaine prédictive de modélisation multi-échelles et donne des pistes quant à l’optimisation cinétique et énergétique des photo-procédés produisant des carburants solaires. / To address the energy challenge of the 21 st century, a solution is the development of solar processes for the production of energy vectors by artificial photosynthesis, in particular photocatalytic synthesis of solar fuels. However high kinetic and thermodynamic performances for these processes must be reached, this requires the development of tools for optimal design, including predictive knowledge models addressing radiative transfer that is the controlling physical process at different scales. A predictive multi-scale model has therefore been developed, implemented and validated on a simple reaction for hydrogen photo-production from CdS particle slurry. On the basis of their characteristics (size, shape, etc.) and their optical properties, the radiative properties of the particles, namely absorption and scattering cross sections and phase function, were calculated using the Lorenz-Mie theory and validated by measurements of transmittances on a high accuracy optical bench. These parameters were then used as input parameters to solve rigorously the radiative transfer equation with the Monte Carlo method. The agreement between predicted and experimental transmittance, taking into account light scattering by hydrogen bubbles, is good in the absorbed spectral band. In parallel, the use of complete experimental bench centered on a small photoreactor, where incident flux densities have been validated by actinometry, yielded high accuracy hydrogen photo-production results. A first and original model of thermokinetic coupling was then formulated and validated after identification of a single lumped parameter whose reification will be approached later and used predictively with success. This work opens up a large number of research prospects because it makes possible to transpose the predictive chain to artificial photosynthesis. This work provides also guidance on the kinetic and thermodynamic optimization of photo-processes producing solar fuels.

La production de carburants est possible à partir d’eau, d’énergie solaire et de CO2 par la voie de la photosynthèse artificielle. L’optimisation de ce processus est un thème de recherche de l’Institut Pascal. À la petite échelle contrôlant ce procédé, il est indispensable de déterminer les propriétés radiatives des microalgues photosynthétiques pour résoudre l’équation de transfert radiatif au sein des photobioréacteurs. La grande variété des micro-organismes liée à la forme, à l’élongation et aux paramètres de taille fait que la mise en œuvre des méthodes numériques existantes échoue pour des raisons de précision ou de capacité mémoire. De nombreuses communautés scientifiques se heurtent à ce problème d’électromagnétisme non encore résolu surtout pour les particules de grands paramètres de taille. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont consisté à résoudre ce problème par la méthode modale de Fourier, une méthode numérique a priori développée et optimisée pour modéliser les problèmes de l’optique électromagnétique. Dans cette méthode, chaque micro-organisme est approché par un empilement de couches ce qui revient à approcher son profil par des marches d’escalier. L’approche proposée a été validée par comparaison avec les résultats disponibles dans la littérature. Une validation expérimentale des calculs théoriques a également été faite dans le domaine des micro-ondes grâce à une collaboration avec l’équipe HIPE de l’Institut Fresnel (Marseille, UMR 7249). Les résultats obtenus montrent la pertinence de la méthode développée. / The production of fuels is possible from water, solar energy and CO2 through artificial photosynthesis. The optimization of this process is a research topic of Pascal Institute. At a small scale controlling this process, it is essential to determine the radiative properties of photosynthetic microalgae to solve the radiative transfer equation in photobioreactors. The wide variety of microorganisms related to the form, the elongation and size parameters make that the implementation of existing numerical methods fails because of lack of accuracy or memory. Many scientific communities face this problem of electromagnetism unresolved especially for particles of large size settings. The work achieved in this research is aimed at solving this problem by the Fourier modal method which is a numerical method first developed and optimized for modelling the electromagnetic optics problems. In this method, each microorganism is approached by a stack of layers which leads to replace the profile by the staircase approximation. The proposed approach was validated by comparison with results available in the literature. An experimental validation of theoretical calculations was also made in the microwave spectrum thanks to a collaboration with the HIPE team from Fresnel Institute (Marseille, UMR 7249). The results show the accomodation of the developed method.

La mesure de champs de température sans contact est un paramètre clé pour l'optimisation et le contrôle des procédés. Les systèmes actuels présentent des limitations, particulièrement sur des surfaces hétérogènes et/ou dans des conditions dynamiques pouvant entraîner une altération de la surface. Ces restrictions sont causées par la méconnaissance de l'émissivité de la surface qui est une fonction complexe de nombreuses grandeurs physiques (température, longueur d'onde, rugosité, direction de détection). La thèse présentée propose le développement complet d'une nouvelle méthode de mesure de champs de température vraie, dénommée THERMOREFLECTOMETRIE, applicable sur tout type de matériaux opaques, dans la gamme [300-1000]°C. Elle permet la mesure en ligne de l'émissivité par le couplage d'une étape classique de THERMOGRAPHIE avec une étape de REFLECTOMETRIE laser. La démarche adoptée consiste premièrement en l'analyse critique de la méthode et de ses facteurs d'influence, ainsi que du dimensionnement optimal des éléments par des études en simulations. Ensuite un prototype opérationnel est mis en oeuvre et ses défauts sont caractérisés, du point de vue d'un système de type CAMERA, et les corrections nécessaires sont mises en place. Enfin, les performances expérimentales sont évaluées sur des scènes thermiques complexes et hétérogènes qui mettent en évidence la bonne précision du prototype pour tous les échantillons testés / True temperature field measurement is a key parameter for the optimization and the control of industrial processes. Current systems present limitations, especially on heterogeneous surfaces and/or in dynamical conditions involving the surface's variation. These restrictions are due to the ignorance of the surface's emissivity, which is a complex function of many physical quantities (temperature, wavelength, roughness, direction of detection). This thesis presents the complete development of a new method of true temperature field measurement, called Thermoreflectometry, applicable on any kind of opaque material, in the range [300-1000]°C. It allows the on-line measurement of emissivity by mixing a step of classical THERMOGRAPHY with a step of laser REFLECTOMETRY. The approach of this work is, first, the critical analysis of the method and its influence quantities, and then the optimal dimensionment of the components by simulation studies. Thirdly, a prototype is built and its defaults are characterized, following a CAMERA-based point of view, and the possible corrections are implemented. Finally, the experimental performances are estimated on some complex heterogeneous thermal scenes which emphasize the prototype's precision for all the tested samples

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble.