Dans cette thèse, des simulations PN de séchage sont comparées à des données expérimentales obtenues dans le séchage d´un réseau de micro-fluidique 2D représentatif dans du SiO2 soumis à des conditions thermiques variables dans le but d’identifier les phénomènes physiques à l´échelle des pores qui sont les plus influents. A partir de cette étude, un PN efficace non-isotherme est développé. Ce modèle incorpore i) les phénomènes associés à la dépendendence en température de l´invasion à l´échelle des pores, c´est à dire l´invasion capillaire sous effet thermique et le flux de vapeur ainsi que ii) le transport secondaire induit par d´épais films liquides observé dans les expériences de microfluidique. Cette étude prouve clairement que le comportement macroscopique du séchage est fondamentalement dirigé par le gradient de température imposé sur le PN ainsi que par le transport capillaire secondaire. En accord avec la littérature, les schémas d´invasion que l´on trouve dans l´invasion percolatrice avec l´évaporation progressive d´amas individuels sont observés dans le séchage à variation de température locale négligeable;des gradients où la température diminue à partir de la surface (gradient de température négatif)peut stabiliser le front de séchage, qui évolue entre la phase gazeuse invasive et la phase liquide qui recule, alors qu´une température qui augmente à partir de la surface (gradient de température positif) amène à la déstabilisation de la phase liquide avec une percée prématurée de la branche gazeuse et l’initiation d´un deuxième front de séchage qui migre dans la direction opposé de celle du front de séchage original. Une attention particulière est prêtée aux régimes distincts que l´on trouve dans le second cas (gradient positif) parce qu´ils sont associés à différents procédés d´invasion à l´échelle des pores. Plus précisément, la dépendance en température de la tension de surface établit l´ordre d´invasion tant que la phase liquide est connectée au groupe liquide principal (que l´on trouve généralement pendant la première période de séchage). En revanche,l´étude détaillée des mécanismes de transfert de la vapeur met l´accent sur le fait que la diffusion de la vapeur à travers la région partiellement saturée peut contrôler les distributions des phases gazeuses et liquides à l´échelle des pores pendant la période de séchage lorsque la phase liquide est déconnectée en petits groupes. Cela est aussi lié à la croissance des amas induite par la condensation partielle de la vapeur. Cette thèse montre et discute en détail que cet effet ne dépend pas seulement de la direction et magnitude du gradient de température pour une distribution de tailles de pores donnée mais qu’en plus le taux d´évaporation influence le mécanisme de croissances des amas. Cela indique que la migration du liquide pendant la phase de séchage de milieux poreux peut être contrôlé par l’interaction des gradients thermiques et du taux de séchage. En somme, l´étude du séchage sous effet thermique des réseaux de pores 2D révèle des phénomènes complexes à l´échelle des pores, généralement aussi anticipés dans le séchage des milieux poreux réels. Cela mène au développement d´un modèle mathématique efficace au niveau des pores basés sur des découvertes expérimentales. Cette thèse démontre la manière dont ce modèle peut être appliqué afin de comprendre et développer des procédés de séchage modernes basés sur la simulation du transfert de masse sous effet thermique à l´échelle des pores / In this thesis, PN simulations of drying are compared with experimentally obtained data fromdrying of a representative 2D microfluidic network in SiO2 under varying thermal conditions withthe aim to identify governing physical pore scale effects. Gravity and viscous effects aredisregarded in this thesis. Instead drying with slight local temperature variation and drying withimposed thermal gradients are studied. Based on this investigation, a powerful non-isothermalPNM is developed. This model incorporates i) the phenomena associated with the temperaturedependency of pore scale invasion, namely thermally affected capillary invasion and vapor flow aswell as ii) the secondary effects induced by wetting liquid films of different morphology. This studyclearly evidences that the macroscopic drying behavior is fundamentally dictated by thetemperature gradient imposed on the PN and moreover by the secondary capillary invasion aswell. In agreement with literature, invasion patterns as in invasion percolation with progressiveevaporation of single clusters are observed in drying with negligible local temperature variation;gradients with temperature decreasing from the surface (negative temperature gradient) canstabilize the drying front, evolving between the invading gas phase and the receding liquid phase,whereas temperature increasing from the surface (positive temperature gradient) leads todestabilization of the liquid phase with early breakthrough of a gas branch and initiation of asecond invasion front migrating in opposite direction to the evaporation front receding from theopen surface of the PN. Special attention is paid on the distinct drying regimes found in thesituation of a positive gradient because they are associated with different pore scale invasionprocesses. More precisely, temperature dependency of surface tension dictates the order ofinvasion as long as the liquid phase is connected in a main liquid cluster (usually found during thefirst period of drying). In contrast to this, detailed study of the vapor transfer mechanismsemphasizes that vapor diffusion through the partially saturated region can control the pore leveldistributions of liquid and gas phase during the period of drying when the liquid phase isdisconnected into small clusters. This is also related to the cluster growth induced by partialcondensation of vapor. It is shown and discussed in detail in this thesis that this effect not onlydepends on direction and height of the temperature gradient for a given pore size distribution butthat moreover the overall evaporation rate influences the cluster growth mechanism. This indicatesthat liquid migration during drying of porous media might be controlled by the interplay of thermalgradients and drying rate. In summary, the study of thermally affected drying of the 2-dimensionalPN reveals complex pore scale mechanisms, usually also expected in drying of real porous media.This leads to the development of a strong mathematical pore scale model based on experimentalfindings. It is demonstrated how this model might be applied to understand and develop moderndrying processes based on the simulation of thermally affected pore scale mass transfer

Pour des raisons de coûts, les tests de catalyseur mis en forme (billes, extrudés, …) en réacteur est lit fixe sont mis en œuvre dans des réacteurs de plus en plus petits alors que la taille des objets catalytiques ne change pas. L'objet de cette thèse est d'explorer les domaines où la réduction d'échelle conduit à des questionnements nouveaux en termes de physique, répétabilité, représentativité et modélisation. Le document s'articule autour de 5 chapitres : 1) une introduction détaillée du contexte avec un état de l'art sur les réacteurs à lit fixe de petite taille et l'identification des questions en suspens, 2) une réflexion autour de la nature des écoulements gaz-liquide descendant dans des lits fixes quand les forces capillaires ne sont plus négligeables, 3) la présentation d'une méthodologie et d'un critère sur un nombre minimal de grain nécessaire pour limiter les conséquences d'une distribution granulométrique en présence de limitations au transfert interne, 4) l'étude des effets d'empilements aléatoires sur la performance apparente du réacteur, d'abord par un modèle réseau de pores qui décrit assez bien les tendances observées expérimentalement mais manque de capacité de prédiction, puis par simulation numérique directe d'écoulement réactif dans des empilements de 8 cylindres qui montre que les effets d'empilements apparaissent, avec les limitations au transfert externe, quand la diffusion moléculaire transverse n'est pas assez rapide pour compenser les gradients dus à la réaction et à la convection, 5) une conclusion qui résume les critères de conception de réacteurs de tests à petite échelle, et propose des pistes de continuation du travail / In order to lower costs, testing of catalytic pellets (spheres or extrudates) is performed in ever smaller fixed bed reactors whereas catalytic pellet size is unchanged. The object of this thesis is to explore domains where downsizing leads to new questions in terms of physics, repeatability and modeling. The thesis is built in 5 chapters, 1) a detailed introduction of the context and a review of the literature on small fixed bed reactors, 2) a discussion about flow patterns in fixed beds filled with fine powder where capilary effects are not negligible, 3) a presentation of a methodology to assess the impact of sampling small number of pellets out of a non uniform set and results for internally mass transfer limited reactions, 4) a study of the effect of randomness in fixed beds first through a pore network model with a good ability to predict trends but lacking accuracy, then using direct numerical simulation of a reactive flow in fixed beds made of 8 cylinders arranged in several configuration showing that packing effects occur, concurrently with external mass transfer limitations, when cross flow diffusion is not fast enough to level out convection and reaction induced gradients, 5) a conclusion that summarizes design criteria and offers a few perspectives for R&D in downsizing

L’hydrogène comme vecteur énergétique est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, l’hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie de façon totalement décarbonée. Pour favoriser l’utilisation à grande échelle de l’énergie hydrogène, il est essentiel de réduire le coût des piles à combustible et d‘augmenter leur durabilité et leurs performances. Les matériaux situés au coeur des piles à combustible ont un impact fort sur leurs performances et leur durabilité. Dans ce contexte, optimiser les matériaux est crucial. Nous développons dans cette thèse une démarche de modélisation des matériaux poreux des piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Nous nous concentrons sur un matériau en particulier, celui intervenant dans les couches de diffusion des gaz (GDL). Les GDL ont de multiples fonctions, notamment de permettre en leur sein des transports simultanés de gaz, d’électrons, de chaleur et d’eau sous forme vapeur et liquide. Pour permettre ces transports, les GDL sont composées d’une phase fluide et d’une phase solide, elle-même constituée de plusieurs matériaux. La microstructure des GDL joue un rôle crucial sur les compromis entre les fonctions des GDL et l’efficacité des transports. Nous utilisons la tomographie aux rayons X pour imager la structure interne des GDL à l’échelle micrométrique, et développons des outils numériques pour simuler les transports sur les microstructures. Nous montrons que des simulations sur des images de grandes tailles sont réalisables en temps raisonnables. Nous validons les simulations de transports dans les GDL numériquement et expérimentalement. Le premier chapitre est consacré à la modélisation d’une expérience ex-situ d’injection d’eau dans les GDL. Nous développons un modèle réseau de pores extrait d’images tomographiques, pour simuler les écoulements d’eau dans les GDL en présence de forces capillaires. Nous validons les simulations réseaux de pores en utilisant des images tomographiques montrant l’eau liquide dans une GDL lors d’une expérience d’injection d’eau. Nous montrons que les courbes de pression capillaire peuvent être déterminées par simulations réseau de pores ou par simulations full morphology sur des images tomographiques. Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des transports de gaz et d’électrons dans les GDL. Nous développons une méthode de simulation réseau de pores, consistant à décomposer l’image en régions de formes simples et à calibrer des modèles physiques sur ces régions. Cette approche à deux échelles est économe en temps de calcul. Nous comparons ces simulations à des simulations directes et à des formules analytiques. Une seconde partie concerne la comparaison des simulations directes à des mesures expérimentales. Nous montrons que les transports dans la phase fluide peuvent être déterminés avec fiabilité par simulation directe sur les images tomographiques, tandis que la simulation des transports dans la phase solide nécessite des informations non fournies par la tomographie aux rayons X. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation de la condensation de l’eau dans les GDL. La vapeur d’eau produite par la réaction du dihydrogène avec le dioxygène traverse les GDL et condense dans les zones froides des GDL. Un modèle réseau de pores couplant diffusion de la vapeur d’eau, changement de phase et forces capillaires est développé. Nous étudions ce modèle sur des réseaux de pores générés virtuellement. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de microstructures conçues virtuellement. Nous montrons qu’il est possible de produire virtuellement des microstructures proches de celles de matériaux réels, de chercher des microstructures optimales, et d’étudier des effets physiques par simulation sur matériaux virtuels. / Hydrogen as an energy carrier is a promising solution for reducing emissions of greenhouse gases. Indeed, hydrogen can be used to store large amounts of energy in a completely carbon-free way. To promote the widespread use of hydrogen energy, it is essential to reduce the cost of fuel cells and increase their durability and performance. The materials in the heart of fuel cells have a strong impact on their performance and durability. In this context, opti-mizing the materials is crucial. We develop in this thesis a modeling approach of porous materials in proton exchange membrane fuel cells. We focus on a specific material that takes part in the gas diffusion layers (GDL). The gas diffusion layers are crossed by gas, electron, heat and water fluxes. To allow such multiple transports, GDL are composed of a fluid phase and a solid phase, itself consisting of several materials. The microstructure of the GDL plays an essential role on the tradeoffs between transports. To model these tradeoffs, we use X-ray tomography to image the microstructure at micrometer scales, and develop digital tools to simulate the transport on tomographic images. We validate the simulations with experimental characterizations and tomographic images of GDL. Great care has been taken in the computer performance of the numerical tools, because tomographic images in three dimensions are a challenge because of the size of the data. The first chapter of this thesis is devoted to modeling of an ex-situ water injection experiment in a GDL. We develop a pore network model extracted from tomographic images, to simulate liquid water flows in GDL in the presence of ca-pillary forces. We validate pore networks simulations using tomographic images showing the liquid water in a GDL dur-ing a water injection experiment. We show that the capillary pressure curves can be determined reliably by pore net-work simulations or full morphology simulations on tomographic images. The second chapter is devoted to one-phase transport simulations in GDL. The first part of this chapter is devoted to the development of pore networks simulations for the diffusivity and the electrical conductivities of the GDL. We de-velop a two-scale simulation methodology, which consists of decomposing the image into elements having simple shapes, and to calibrate physical models on these elements. This method considers the effect of the microstructure on the physical transfers in an economical way, reducing the computing time. We compare the pore network simulations to direct simulation on microstructures and to analytical formulas. The second part is devoted to the comparison of transport simulations with experimental measurements. We show that the transports in the fluid phase can be deter-mined reliably by direct simulations on the tomographic images, while transports in the solid phase require additional information not provided by X-ray tomography. The third chapter is devoted to modeling of the condensation of water in the GDL. The steam produced by the reaction of the hydrogen with the oxygen passes through the GDL and condenses in the cold areas of the GDL. A pore network model coupling diffusion of steam, phase change and capillary forces is developed. We study this model on virtually generated pore networks. The last chapter is devoted to the study of virtually designed microstructures. Virtually exploring new materials designs has advantages over the experimental approach, in terms of speed, cost and control over the microstructures. We show that it is possible to virtually produce microstructures close to those of real materials, to seek optimal microstructures, and control the microstructure to better study some physical effects using simulation.

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des transports diphasiques au sein des couches de diffusions (Gas Diffusion Layer = GDL) des piles à combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). La GDL est faite d'une structure fibreuse (dont l'épaisseur est de quelques centaines de micromètres) traitée généralement avec une matière hydrophobe. Des images numériques de la GDL réelle obtenues par tomographie X sont d'abord analysées afin d'étudier des propriétés telles que la porosité, la perméabilité, ou le tenseur de diffusion. L'écrasement de la GDL est ensuite simulé en utilisant un algorithme comprimant les fibres dans un plan transversal. Les transports diphasiques (invasion quasi statique d'eau liquide) sont modélisés dans des réseaux de pores, milieux représentatifs de l'espace poreux de la GDL, en relation avec le problème de la gestion de l'eau dans les piles PEMFC. Deux algorithmes d'invasion, dénommés algorithmes séquentiel et cinétique, sont développés et comparés pour analyser les distributions de phases au sein des GDL. Un point clé est que l'eau rentre dans la couche poreuse par divers points d'injection indépendants, conduisant à la possibilité de multiples points de percée. Des expériences sur un système microfluidique sont conduites pour valider les algorithmes utilisés. Une étude statistique est menée pour caractériser le nombre de points de percée, les profils de saturation, l'accès au gaz, le transport diffusif, de même que l'influence du piégeage et de la mouillabilité mixte. / This thesis is devoted to the study of transport properties and two-phase flow in the Gas Diffusion Layer (GDL) of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). A GDL is a thin fibrous structure (a few hundreds μm thick) treated generally with a hydrophobic agent. Numerical images obtained from X-ray computed tomography X are first exploited to study properties such as the porosity, permeability and diffusion tensors of a real GDL microstructure. The effect of GDL compression is also investigated using an algorithm mimicking the compression in GDL through plane direction. Then two phase flow (quasi-static water invasion) is studied in relation with the water management problem in PEMFC, using a structured pore network representation of the pore space. Two invasion algorithms, referred to as the sequential and the kinetic algorithm respectively, are developed and compared to study the fluid distributions within the GDL. A key point is that water enters the porous layer through multiple independent inlet injection points, leading to the possibility of many breakthrough points. Experiments are conducted on a microfluidic device to validate the algorithms. A numerical statistical study is performed to characterize the breakthrough point statistics, saturation profiles, gas access, diffusion transport as well as the influence of trapping and mixed wettability.

La première partie de cette thèse constitue une introduction aux différentes méthodes de conversion d'énergie et de dessalement qui seront évoquées dans cet ouvrage. Dans une deuxième partie, nous montrons que la conductance ionique d'un réseau de nanopores est sous-additive avec le nombre de pores. La contribution individuelle de chaque pore à la conductance globale tend vers une valeur nulle, pour un réseau suffisamment grand. On note que seuls des rapports de longueurs interviennent, et que le choix d'une échelle nanométrique n'a pas d'influence dans l'effet observé. Ensuite, dans une troisième partie, nous mesurons la perméabilité d'un réseau de pores à une échelle macroscopique. Là aussi, l'influence du réseau ne dépend pas de l'échelle du système. La perméabilité évolue en sens inverse de la conductance : elle est augmentée par la présence de pores voisins, mais dans une faible proportion. La quatrième partie se sert des résultats des deux parties précédentes, dans le but de déterminer une loi d'échelle pour la puissance électrique produite par courant d'écoulement et diffusio-osmose, deux méthodes de conversion d'énergie osmotique. On montre que les effets d'entrée ont un effet délétère sur cette conversion ; ils nécessitent des études plus approfondies. La dernière partie est un travail numérique sur un nouveau procédé de dessalement par osmose via une phase gaz, piégée dans des nanotubes hydrophobes. Son intérêt principal est l'utilisation de nanotubes plus gros que les pores des matériaux actuellement utilisés, donc moins susceptibles de s'encrasser. Par dynamique moléculaire, nous étudions la perméabilité et la sélectivité du dispositif / The first part of this thesis is an introduction to the different energy conversion and desalination methods that will be invoked in this work. In a second part, we show that the ionic conductance of a nanopore array is sub-additive with the number of pores. Individal contributions of each pore to the global conductance tend to a null value, if the network is big enough. We note that this phenomenon only involves length ratios, and that working at a nanometric scale does not have any influence. Then, in a third part, we measure the permeability of a pore array at a macroscopic scale. There too, the effect of the array does not depend on the scale of the system. Permeability evolves inversely to conductance: permeability is enhanced by the presence of neighboring pores, but in a smaller proportion than the ionic conductance falls under the same cause. The fourth part uses the results of the two preceding ones, to determine a scaling law for the electric power produced by streaming current and diffusio-osmosis, two methods of osmotic energy conversion. We show that entrance effects have a negative impact on such conversion, more efforts are needed to understand them better and circumvent them. The fifth and last part of this thesis is a numerical work on a new desalination device. It relies on osmosis through a gas phase which is trapped within a hydrophobic nanotube. Its main interest is to use nanotubes bigger than the pores of currently used materials, thus less prone to fouling. We use molecular dynamics methods to study the permeability and selectivity of this device

Dans ce travail, nous nous intéressons à la dynamique de croissance d'une poche de vapeur par vaporisation en milieu poreux, en relation avec l'analyse des transferts couplés de masse et de chaleur dans les mèches poreuses des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire. Nous proposons un modèle pour les régimes transitoires, régimes encore très mal compris en dépit de leur grande importance pratique (phase de démarrage, variations de puissance, etc.). Une approche de type "réseau de pores" est adoptée et permet de prédire la distribution des phases à l'échelle de l'espace des pores. Dans une étape préliminaire, une étude spécifique de drainage (déplacement d'un fluide mouillant par un fluide non mouillant) par pressurisation du fluide envahisseur est abordée. Cette étape, nécessaire au développement et au test d'un algorithme de croissance de poche de gaz, permet de valider le modèle hydrodynamique quantitativement par une étude expérimentale dédiée. Il est mis en évidence le rôle des films liquides et de la compressibilité du gaz. Le modèle est ensuite complété par l'ajout des transferts thermiques et du changement de phase. Ici encore, une étude expérimentale dédiée est proposée, afin de valider l'outil numérique mis en place. Enfin, un ultime ajout au modèle permet de prendre en compte les phénomènes particuliers liés à l'imbibition (déplacement d'un fluide non mouillant par un fluide mouillant). Des résultats statistiques concernant la réponse dynamique d'une poche de vapeur à l'application d'une densité de puissance sont présentés, ainsi que certaines situations oscillantes dans la mèche poreuse. Nous finissons par discuter de l'influence du re-mouillage de la mèche poreuse, phénomène qui entraîne une hystérésis significative. / We study the dynamic of a vapour pocket growing by vaporisation in a porous medium, in relation with the analysis of coupled heat and mass transfers in the porous wick of loop heat pipes (LHP). We propose a model for transient modes, which are still poorly understood in spite of their importance (start-ups, power transitions, etc.). This work is based on a pore network approach enabling us to predict the phase distribution at the pore space scale. In a preliminary step, a study of drainage (displacement of a wetting fluid by a non wetting one) by pressurisation of the invading fluid is performed. This step is necessary for the development and the test of the vapour pocket growing algorithm. A quantitative validation of the hydro-dynamical model is obtained thanks to a dedicated experimental study. The influence of liquid films as well as gas compressibility is investigated. Our model is then improved to deal with heat transfer and phase change. Again, a dedicated experimental study is performed in order to validate the numerical tool. The model is finally improved a last time to deal with the effects due to imbibition mechanisms (displacement of a non wetting fluid by a wetting one). Statistical results concerning the dynamic response of a vapour pocket to the application of a power density are presented, andsome specific oscillating situations in the wick are identified. We finish discussing the influence of the re- etting of the porous wick, a phenomenon which induces a significant hysteresis effect.