La maîtrise de la température des composants à forte dissipation, notamment dans les systèmes électroniques nomades, constitue un verrou à leurs développements. Que ce soit pour l'électronique de puissance ou les calculateurs, les densités de puissance requièrent l'utilisation de systèmes de refroidissement de plus en plus performants, en particulier dans le cas des microprocesseurs qui associent miniaturisation et augmentation des fréquences d'horloge. Les conséquences sont multiples, limitation des performances, augmentation de la consommation et du taux de défaillance. C'est dans ce contexte que le projet CANOPEE, réunissant un consortium de partenaire industriel et académique, propose de développer et démontrer les avantages d'une solution technologique active récemment brevetée et appelée OnduloTrans. Elle consiste en un dispositif échangeur-pompe, permettant à la fois d'obtenir un excellent transfert thermique et d'assurer le pompage du fluide caloporteur. OnduloTrans est une solution active de refroidissement basée sur la déformation dynamique d'une paroi d'un canal. Le dispositif est fixé directement à l'aplomb du composant à refroidir. Le canal est déformé suivant une onde progressive pour créer un pompage péristaltique. L'intensification des transferts est obtenue lorsque les variations dynamiques des dimensions du canal viennent perturber la couche limite à l'interface conduction/convection. Le travail de la thèse consiste à concevoir et développer une solution d'actionnement intégrée permettant de mouvoir la paroi souple. Il s'accompagnera d'essais concrets témoignant des performances thermiques de cette solution. L'actionnement mis en oeuvre doit respecter les contraintes hydrauliques et thermiques de l'application embarquée visée, tout particulièrement le faible encombrement et une consommation électrique minimale. La difficulté réside dans les critères antagonistes que sont la production d'une onde progressive de grande amplitude dans un milieu aux dimensions centimétriques. Le manuscrit s'articule en trois parties. Dans un premier temps les solutions d'actionnement envisageables seront explorées. Pour ce faire, la solution OnduloTrans est d'abord décrite. Un état de l'art des solutions de conversion électromécanique, puis des micropompes péristaltiques est entrepris. Les phénomènes hydrauliques propres au micropompage péristaltique sont abordés pour cerner la problématique du développement de l'actionnement. Ensuite les deux chapitres suivants détaillent l'étude de deux solutions piézoélectriques distinctes. Une première solution piézoélectrique à onde discrète est développée dans le second chapitre. Elle consiste en une répartition d'actionneurs flextensionnels le long de la paroi souple. Une méthodologie de prédimensionnement basée sur des modèles mécaniques simples est présentée. L'onde progressive créée étant très particulière, une méthode analytique de calcul du débit, validée par simulations numériques, permet d'étudier l'influence de la commande des actionneurs. Un prototype est finalement réalisé avec l'aide des partenaires. De nombreux essais sont ensuite réalisés afin de valider les différentes hypothèses et déterminer les premières performances hydrauliques et thermiques du dispositif. Le troisième chapitre aborde une solution à onde progressive continue et actionnement intégré à la membrane. Le but est ici de prouver le concept de pompage péristaltique par flexion contrôlée d'une plaque intégrant une couche piézoélectrique. Un modèle de dimensionnement 1D constitué de tronçons piézoélectriques répartis à la surface est tout d'abord présenté. La répartition des segments piézoélectriques fait ensuite l'objet d'une étude paramétrique afin de définir judicieusement leur disposition, ceci en vue de maximiser le débit théorique. Cette étude paramétrique est finalement couplée à une optimisation des commandes électriques, évaluée par les résultats d'un prototype.

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d’augmentation de puissance de la part des constructeurs d’aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l’intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l’amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d’air via les pertes de charge afin d’éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l’étude via simulations numériques d’un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l’écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l’impact dela température de la paroi sur l’écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu’en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d’écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l’instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l’intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l’écoulement dans l’espace interperturbateur / Aeronautical engine designers are constantly subject to increasing power demands from aircraft manufacturers. To satisfy this requirement, combustor outlet temperature can be increased to improve efficiency and output energy of the engine. This rise in temperature however can surpass the material melting point and to avoid engine failure, turbine blades rely on internal cooling systems. Turbine blade cooling often uses internal channels, taking cold air from the compressor flow. Design of these systems therefore resumes to maximizing heat transfer enhancement while minimizing airflow rate to avoid engine power penalties. However, such flows are still largely uncontrolled and miss-understood. In an attempt to better understand such spatially developing rotating flows, the present study deals with a computational investigation on a straight, rotating rib roughened cooling channel. The configuration consists in a squared channel equipped with 8 ribs turbulators placed with an angle of 90 degrees with respect to the flow direction. For the studied cases, time resolved two-dimensional Particle Image Velocimetry (PIV) measurements have been performed at the Van Karman Institute (VKI). Adiabatic as well as isothermal conditions have been investigated to evaluate the impact of the wall temperature on the flow, especially in the rotating configurations. Static as well as both positive and negative rotating channels are compared with, in each case, either an adiabatic or an isothermal flow prediction. In this work, Large Eddy Simulation (LES) results show that the high fidelity CFD model is able to reproduce the differences induced by buoyancy on the flow topology in the near rib region and resulting from an adiabatic or an isothermal flow in rotation. The model manages also to predict the turbulence increase (decrease) around the rib in destabilizing (stabilizing) rotation of the ribbed channels. Finally and thanks to the full spatial and temporal description produced by LES, the spatial development and the unsteadiness of secondary flows are analyzed to better understand their origin and potential differences in all a cases. This study shows that the wall heat flux topology is driven by the secondary flows structure and the wall heat flux intensity is driven by the level of flow fluctuations in the ribbed region

Le refroidissement par film froid consiste à refroidir une paroi en injectant un écoulement froid pour protéger celle-ci. Un banc d'essai simplifié d'une configuration d'étude de " film cooling " a été réalisé pour caractériser l'influence d'un écoulement chauffé et pulsé provenant d'un trou cylindrique incliné à 30° dans un écoulement principal thermiquement uniforme. Les taux de soufflage (M ) étudiés sont égaux à 0,65, 1 et 1,25. Les pulsations ont été générées par un hautparleur à des fréquences de pulsation adimensionnalisées ( St ) de 0, 0,2, 0,3 et 0,5. Les aspects aérodynamiques et thermiques de l'écoulement ont été étudiés, en utilisant des techniques de mesure avancées incluant la P.I.V. résolue en temps, la thermographie infrarouge, la vélocimétrie filchaud et la thermométrie fil-froid. Pour M = 0,65, sans pulsation, l'écoulement injecté couvre une partie importante de la paroi. Dans le cas pulsé, cette distribution optimale est considérablement dégradée quelque soit la fréquence de pulsation. Pour M =1 et 1,25, sans pulsation, on observe un décollement de l'écoulement qui dégrade la protection film de la paroi. Dans ces cas, la pulsation induit de grandes variations spatiales à la fois de la trajectoire, de l'éclatement du jet et du passage des structures turbulentes dans le sillage de jet à cause de la variation périodique du débit de jet. On a constaté que la pulsation améliore la protection de la paroi pour des excitations de basse fréquence pour des taux de soufflage important (M = 1 et 1,25).

Thèse de doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2001. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 203-216.

L’augmentation de l’efficacité des turbines fonctionnant sur un cycle de Brayton récupéré passe par l’augmentation de la température des gaz d’admission. Cependant, les pales métalliques doivent être massivement refroidies afin de supporter des températures dépassant les 1600 K. Une nouvelle configuration utilisant des pales en céramiques supportées par une jante de composite et un moyeu flexible supporte des températures de plus de 1600 K sans refroidir les pales. La configuration maintient les pales en compression durant la rotation de la turbine évitant le bris de la céramique lorsque soumise à la tension. La jante de composite ne doit pas dépasser 600 K, nécessitant un système de refroidissement. L’utilisation d’un refroidissement par film sur la paroi de bout de pales permet de réduire de 30 % le flux thermique traversant la paroi. Dans une configuration classique d’une turbine, les pales ne sont pas supportées par leur bout, faisant en sorte qu’aucune recherche ne porte sur le refroidissement par film de la paroi de bout de pales. Les multiples recherches faites sur le refroidissement par film des différentes composantes d’une turbine montrent que la rotation de la turbine et la courbure des surfaces à protéger influence l’efficacité du refroidissement par film. Ce projet de maitrise vise à expliquer comment le champ centrifuge créé par la rotation de la turbine et la courbure de la paroi de bout de pales affectent le refroidissement par film. Une analyse de stabilité de gaz stratifiés, confinés entre deux parois et ayant une injection de gaz à l’une des parois explique théoriquement comment la vitesse des gaz, le champ centrifuge et la vitesse d’injection influencent la stabilité des gaz stratifiés. Le champ centrifuge augmente la plage de longueur d’onde de perturbations que peut tolérer le système sans être déstabilisé, alors qu’une différence de vitesse entre les gaz déstabilise le système. La vitesse d’injection doit être réduite au minimum puisqu’elle déstabilise le système. Les résultats de cette analyse ont été vérifiés expérimentalement dans un canal courbé. Les tests montrent que l’injection normale à l’écoulement ne permet pas de stratifier deux gaz, alors qu’une injection parallèle entraine une stratification qui prend plus de 37 𝑚𝑚 à se mélanger, soit plus du double de la longueur du rotor de la turbine étudiée dans ce projet. Cependant, en raison du couplage entre la vitesse des gaz et le champ centrifuge qu’impose un canal courbé, il est impossible d’observer l’effet du champ centrifuge et de la différence de vitesse entre les gaz indépendamment, indiquant la nécessité de concevoir un banc d’essai rotatif pour de futurs tests. Une analyse thermique du refroidissement par film de la paroi de bout de pales relie le flux thermique traversant la paroi au débit massique de gaz de refroidissement et à la température de la paroi. Cette analyse, fait le lien entre le refroidissement par film et le refroidissement par ailettes séparant la jante de composite de la paroi de bout de pales.

Au Québec, les coûts de chauffage représentent jusqu’à 30 % des coûts de production d’une serre. De ces coûts de chauffage, de 13 à 18 % sont nécessaire pour refroidir et déshumidifier la serre (de Halleux et Gauthier, 1997). La méthode traditionnelle de refroidissement et de déshumidification (R/D) utilisée dans une serre est la ventilation-chauffage, qui consiste à remplacer une partie de l’air chaud et humide de la serre par de l’air froid et sec de l’extérieur. Cette méthode limite toutefois l’injection de dioxyde de carbone (CO2). L’objectif du projet est de maintenir les consignes optimales de température et d’humidité dans une serre de tomates biologiques cultivées en plein sol, afin de produire en serre semi-fermée et conserver un taux élevé en CO2 pour stimuler la photosynthèse. Pour ce faire, deux méthodes expérimentales de R/D ont été mises à l’essai. La première méthode étudiée est la R/D par condensation de la vapeur d’eau sur un échangeur de chaleur eau-air. La seconde méthode étudiée est la R/D par condensation de la vapeur d’eau sur un rideau d’eau. Les deux méthodes expérimentales de R/D ont permis de maintenir les températures désirées dans la serre tout en maintenant les volets de la serre en position semi-fermée, ce qui a permis de maintenir des concentrations en CO2 significativement différentes dans la serre comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle.

Beaucoup d’expériences et d’applications utilisant des molécules froides nécessitent d’avoir un échantillon de molécules froides à la fois en translation, en vibration et en rotation. Cette thèse se situe dans la même thématique, elle a pour objectif la généralisation de la méthode du pompage optique qui a permis de refroidir la vibration des molécules de Césium par un laser large bande dont les fréquences correspondantes aux transitions partant du niveau vibrationnel fondamental ont été supprimées. Nous avons, par exemple, réalisé un transfert de la population moléculaire dans un niveau vibrationnel pré-sélectionné. Nous avons ensuite démontré que le refroidissement vibrationnel est aussi efficace avec une source de lumière non cohérente. Enfin, une technique de conversion électronique a été démontrée et qui a permis de transférer les molécules formées dans l’état électronique métastable a3Σu+ vers l’état électronique fondamental X1Σg+. Finalement, l’application de cette méthode sur la rotation a été étudié, les résultats préliminaires montrent que le processus marche efficacement ce qui ouvre des perspectives sur le refroidissement lasers des molécules. / Many experiments and applications using cold molecules need to have a sample of molecules cold in all degrees of freedom. My activity in the cold molecule experiment considered several extensions and generalizations of the vibrational cooling technique using a shaped broadband laser. The first extension realized was the transfer of the molecular population to any pre-selected vibrational level. Another extension was the realization of vibrational cooling and molecular population transfer with the use of a broadband, non-coherent, diode light source, instead of a femtosecond laser. Finally, we demonstrate an efficient technique which allows us to convert molecules initially formed in the triplet state (a3Σu+) into the ground electronic state (X1Σg+). The generalization of the vibrational cooling technique to include rotation has also been studied. Preliminary experiments considered for rotational cooling as well as more detail theoretical treatment has been performed. This open the way for more general laser technique apply to molecules.

L'objectif du projet HORACE est la réalisation d'horloges compactes embarquées de haute performance en fréquence à l'aide d'atomes froids de Cs. Dans ce mémoire, on discute d'abord le mode de fonctionnement original d'HORACE où toutes les interactions appliquées aux atomes de Cs133 ont lieu dans la cavité micro-onde (refroidissement, interrogation, détection), selon une séquence purement temporelle. On montre que la stabilité relative de fréquence peut être <1.10^(-12)\tau^(-1/2), et dépendra des caractéristiques du refroidissement, comme la taille du nuage et le taux de capture, et des performances en fréquence de l'oscillateur local à des fréquences de Fourier de qq. 10 Hz (effet de repliement de spectre). Les méthodes de détection par fluorescence (populations) et par "radiation damping" (cohérences) sont décrits et discutés. La deuxième partie du mémoire présente un modèle de refroidissement Doppler dans une cellule réfléchissante ou diffusante, basé sur une étude du champ laser moyen dans la cellule. On montre alors que la figure de tavelure 3D permet des mécanismes de refroidissement Sisyphe. La troisième partie du mémoire est consacrée à l'étude expérimentale du refroidissement subDoppler dans une cavité micro-onde sphérique polie au niveau optique utilisée comme cellule. L'étude démontre que plus de 3.10^(7) atomes froids sont refroidis dans les puits de potentiels lumineux de la figure de tavelure 3D. Les constantes de temps de thermalisation ~30 fois plus longs que dans une configuration Lin per Lin prédits par le modèle ont été vérifiés expérimentalement. Des températures de ~2 microK ont été mesurées par temps de vol. La dernière partie du mémoire décrit la réalisation et l'accord en fréquence de la cavité micro-onde sphérique, et les principaux déplacements relatifs de fréquence attendus dans le bilan d'exactitude d'Horace. Ces derniers sont dus au déphasage du champ micro-onde pulsé et au déplacement relatif de fréquence collisionnel entre atomes froids au niveau de quelques 10^(-13).

Beaucoup d'expériences et d'applications utilisant des molécules froides nécessitent d'avoir un échantillon de molécules froides à la fois en translation, en vibration et en rotation. Cette thèse se situe dans la même thématique, elle a pour objectif la généralisation de la méthode du pompage optique qui a permis de refroidir la vibration des molécules de Césium par un laser large bande dont les fréquences correspondantes aux transitions partant du niveau vibrationnel fondamental ont été supprimées. Nous avons, par exemple, réalisé un transfert de la population moléculaire dans un niveau vibrationnel pré-sélectionné. Nous avons ensuite démontré que le refroidissement vibrationnel est aussi efficace avec une source de lumière non cohérente. Enfin, une technique de conversion électronique a été démontrée et qui a permis de transférer les molécules formées dans l'état électronique métastable a3Σu+ vers l'état électronique fondamental X1Σg+. Finalement, l'application de cette méthode sur la rotation a été étudié, les résultats préliminaires montrent que le processus marche efficacement ce qui ouvre des perspectives sur le refroidissement lasers des molécules.

Dans le présent mémoire, on s'intéresse à l'effet de l'architecture d'un matériau sur sa résistance thermique. Une plaque chaude est refroidie par un empilement de couches poreuses au travers desquelles circule un fluide caloporteur. L'écoulement est généré par une différence de pression prédéterminée. Le problème consiste à déterminer une porosité optimale ainsi qu'un matériau pour chacune des couches du système de refroidissement afin de minimiser la température critique de la plaque (résistance thermique), sous des contraintes de masse et de coût. Un modèle numérique basé sur les volumes finis est combiné à un algorithme génétique (AG) afin d'optimiser l'architecture du système. L'architecture, ou la structure interne, est le fruit d'une optimisation, sous des contraintes globales. Le matériau optimal assigné à chacune des couches poreuses est déterminé par l'AG -pas prédéterminé- et est choisi dans une banque de quatre matériaux. L'AG élimine les couches poreuses qui ne contribuent pas au refroidissement de la plaque chaude et optimise par le fait même la dimension du système. Les résultats indiquent que plus de matière solide devrait être utilisée à proximité de la plaque chaude (distribution de porosité non uniforme). Plusieurs configurations quasi-optimales sont trouvées dans le domaine d'exploration de l'algorithme. / In this work, we address the fundamental problem of how to arrange fluid flow and solid material for minimal thermal resistance. A heat-generating board is cooled by a stack of porous layers through which a coolant flows. The stream is generated by a fixed pressure drop. The problem consists in determining the optimal porosity and material of each layer for minimizing the hot spot temperature (thermal resistance), under global mass and cost constraints. We combine a genetic algorithm (GA) toolbox with a finite volume program to optimize the design. The shape and structure of the System emerge from the global optimization, under global constraints. The optimal material to use in each layer is determined by the GA -not assumed- and is chosen from a database of four materials. The GA eliminates layers that do not contribute to the overall performance and therefore optimizes the size of the stacking. The results indicate that more solid material should be used closer to the hot plate (non-uniform distribution). Several nearly optimal configurations are found in the design space.