La présente thèse traite des phénomènes de transferts de chaleur et de masse en convection mixte thermosolutale avec changement de phase dans un canal. Celui-ci est formé de deux plaques planes parallèles dont l'une ou les deux sont mouillées par un film d'eau de faible épaisseur. Ces plaques sont soumises à une température constante et uniforme. Le canal est traversé par un écoulement laminaire ascendant d'air humide en régime permanent. Le système d'équations mathématiques, est basé sur les équations de Navier-Stokes ainsi que les équations de conservation de l'énergie et de conservation des espèces. L'approximation de Boussinesq est adoptée. La résolution des équations gouvernantes est basée sur la méthode des volumes finis alors que le couplage vitesse-pression est traité à l'aide de l'algorithme SIMPLER. Les effets combinés des forces d'Archimède d'origine thermique et massique sur la convection laminaire dans un canal symétrique isotherme vertical ont été étudiés. Les résultats de cette étude montrent que ces forces ont un effet important sur les champs hydrodynamique, thermique et massique. Ainsi pour des parois froides et un écoulement d'air chaud, ces forces causent le renversement de ce dernier prêt des parois. De plus, nous avons montré que le transfert par chaleur latente n'est important comparé à celui par chaleur sensible que si le gradient de concentration est important. Le renversement d'écoulement laminaire dans un canal symétrique isotherme vertical et asymétrique isotherme pour le cas d'un canal incliné a été étudié. Pour le cas du canal incliné, seule la plaque inférieure est couverte d'un film d'eau de faible épaisseur alors que l'autre est considérée imperméable. Nous avons discuté l'effet des forces d'Archimède d'origine thermique et massique sur les champs hydrodynamique, thermique et massique. Ainsi, ces forces peuvent causer le renversement de l'écoulement si leurs intensité est importante. Les conditions d'existence de ce dernier ont été présentées par des abaques et expressions analytiques. Ces abaques et expressions donnent la valeur critique du nombre de Grashof d'origine thermique en fonction du nombre de Reynolds pour différentes valeurs du nombre de Grashof d'origine massique et différents angles d'inclinaison pour le cas du canal incliné.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) passe par la réduction des consommations d'énergie. Le stockage de la chaleur dans les parois des bâtiments permet de réduire la consommation d'énergie. Parmi les techniques de stockage, le stockage latent a la capacité de stocker une quantité d'énergie par unité de volume plus importante qu'un système sensible. Le projet INERTRANS a proposé le développement d'une façade associant une isolation translucide et le stockage latent avec un matériau à changement de phase (MCP). La fusion du MCP s'accompagne de la convection naturelle et l'absorption ou transmission du rayonnement. Le couplage de l'ensemble de ces phénomènes n'a pas été étudié dans la littérature. Dans cette thèse un modèle numérique 2D pour l'étude du changement de phase a été développé. Ce modèle utilise la méthode de Boltzmann sur réseau (LB) à temps de relaxation multiple (MRT), pour la résolution du champ de vitesse et la méthode des différences finies, pour la résolution du champ de températures. Le changement de phase a été traité par la formulation enthalpique. L'originalité est l'application de ce modèle au problème de changement de phase avec convection naturelle, d'une part, et au changement de phase avec convection naturelle et rayonnement, d'autre part. Pour vérifier notre modèle sans rayonnement, un cas de référence de la littérature a été simulé. Il s'agit de la fusion des deux MCP, l'étain et l'octadécane, à faible et fort nombre de Prandtl, respectivement. La simulation de l'étain a confirmé un écoulement multicellulaire. La simulation de l'octadécane a montré une forte influence de la convection avec un front de fusion qui se déforme sur toute la cavité. Le nombre de Nusselt pour l'octadécane avec convection est plus de trois fois le Nusselt sans convection. La simulation de l'acide gras de la brique INERTRANS a montré que la convection ne doit pas être négligée, car le flux prédit avec convection peut être jusqu'à trois fois plus grand que le flux prédit sans convection. La fraction fondue est près du double qu'en conduction seule. La méthode LB appliquée aux transferts radiatifs a été étudiée. Il se trouve, qu'à l'état actuel cette méthode n'est pas compétitive par rapport à une méthode classique des ordonnées discrètes (MOD). Enfin, nous avons couplé la MOD pour le calcul du flux radiatif avec la méthode LB pour le calcul du champ de vitesses et des différences finies pour l'équation de l'énergie. Le rayonnement grande longueur d'onde n'a pas d'influence notable sur les transferts thermiques. Le rayonnement courte longueur d'onde augmente les transferts thermiques, pourtant, cet effet n'est pas aussi important que l'augmentation due à la convection pour le matériau choisi. Puisqu'aucune solution de référence n'existe dans la bibliographie, nos résultats peuvent désormais servir d'éléments de comparaison pour de futurs travaux. Une validation expérimentale constituerait une perspective nécessaire.

Les fours de maintien à induction sous vide sont utilisés pour la fabrication d'aubes de turbine à l'aide du procédé de fonderie à cire perdue. La maîtrise de la thermique de ce dernier est primordiale afin d'assurer la qualité de la production. Ce travail est composé de 3 grandes parties : la modélisation détaillée du four, la modélisation réduite et l'expérience. Un four axisymétrique et sa charge ont été modélisés numériquement à l'aide des logiciels FlexPDE et COMSOL Multiphysics. Ces modèles utilisent en entrée la puissance consommée par les inducteurs et fournissent en sortie la température en tout point du module de chauffe et de la charge. Les modèles réduits étudiés sont des modèles physiques dit convolutifs (enthalpique (0D), analytique de dimension 1 (1D)) et paramétrique de type AutoRégressifs avec variables eXogènes (ARX). Les modèles ARX ont été comparés aux modèles convolutifs (procédures d'identification, puis de validation, de modèles). L'objectif est d'accéder à des températures en certains points du four sans présence d'un capteur physique local (capteur virtuel). Les modélisations détaillées et réduites ont été comparées à des expériences réalisées sur four de production. Cette dernière partie n'est pas décrite dans ce mémoire / Vacuum holding induction furnaces are used for the manufacturing of turbine blades by loss wax foundry process. Heat transfer control in a holding furnace is crucial to ensure the quality of manufacturing. This work has 3 major parts, which are the detailed modelling, reduced modelling and experiments. An axyisymmetric furnace and its load have been numerically modelled using FlexPDE and COMSOL Multiphysics, finite element codes. Modelling takes as inputs the electric power consumed by inductors and gives the temperature field in the heating module. The studied reduced models are phyisical convolutive models (enthalpic (0D), 1 dimension analytical (1D)) and parametric like AutoRegressive with eXogeneous inputs (ARX). ARX models have been compared to convolutive models (identification, validation). The goal is to get temperatures in the heating module without local presence of physical sensors (virtual sensor). Detailed and reduced models have been compared to experiments on the furnace. This last part is not described in this document

La diminution de l’impact environnemental des moteurs électriques conduit à des améliorations du rendement et de la compacité. Puisque la taille de la transmission est réduite, des problèmes d’échauffements peuvent apparaître car la surface d’échange avec l’environnement est fortement réduite, diminuant les possibilités de refroidissement. L’ensemble du système doit être caractérisé en termes de pertes de puissance et de capacité de transfert thermique pour déterminer si la température maximale en fonctionnement correspond aux exigences de fiabilité tout au long de la durée de vie du système. Cette thèse propose un modèle thermique d’une transmission avec des engrenages spiraux coniques, lubrifiée par bain d’huile. Le modèle thermique utilise la méthode des réseaux thermiques. Par conséquent, une estimation précise des pertes et des transferts thermiques entre les différents éléments est nécessaire. Une revue des méthodes existantes est présentée, indiquant que les pertes par barbotage des engrenages spiraux coniques ne sont pas totalement maîtrisées, entraînant la conduite d’une série d’essais sur un banc d’essai dédié. Cette étude se conclue sur l’application du modèle à la transmission ainsi que la proposition de points d’améliorations. / Environmental concern leads to improvements in both efficiency and power density of electrical motors. For compact transmissions, thermal issues can become critical: the surface available for thermal exchange with the environment is reduced, minimizing the possibility to cool down the elements. To ensure the system reliability, the operating temperature for each operating condition must not exceed the required maximum oil temperature. In order to evaluate its thermal behavior, the whole system should be therefore evaluated in terms of power losses and heat transfer. This PhD proposes a thermal model of an existing oil bath lubricated gear unit with spiral bevel gears. The thermal model uses the thermal network method, which needs an accurate prediction of power losses of the different elements and heat transfer between them. A review of the existing methods is presented. Since the churning losses of spiral bevel gears has never been fully characterized, specific tests have been done on a dedicated test bench. The last part of this work suggests possible improvements on the gearbox design.

Le travail développé dans cette thèse a pour but d’étudier le comportement hygrothermique de matériaux isolants bio-sourcés, et plus particulièrement les fibres de bois, le béton de chanvre, la laine de lin, la laine de mouton, le métisse® et les anas de lin. Ces matériaux, par essence naturels, présentent des spécificités liées à leur origine (animale ou végétale) et à leur structure (fibres, paille, matrice solide…). Leur porosité, très élevée, les rend réactifs aux variations d’humidité relative ambiante, ce qui peut impacter leurs performances thermiques et leur durabilité (comme pour tous les matériaux), mais également leur conférer des capacités de régulation. Dans un souci d’améliorer la connaissance de ces matériaux particuliers, nous proposons tout d’abord d’étudier l’impact causé par l’humidité sur leurs caractéristiques thermiques, principalement la conductivité thermique et la chaleur spécifique. Ensuite les caractéristiques hygrothermiques sont étudiées, ce qui permet de mieux comprendre les phénomènes dépendant des capacités d’adsorption, de désorption, de perméabilité ou de résistance à la vapeur d’eau. On se rend compte également de l’importance du gradient de température sur l’évolution des transferts hygriques au sein des matériaux. En plaçant les isolants bio-sourcés sous sollicitations aléatoires ou en conditions réelles d’utilisation, nous pouvons suivre leur comportement d’un point de vue expérimental. Le couplage à une approche numérique permet d’identifier les paramètres d’influence prépondérants, dans l’optique de la prédiction des transferts couplés chaleur/masse par une simulation dans des conditions particulières d’utilisation, comme la rénovation d’un habitat existant. On constate à partir de mesures in situ que ces matériaux ont une grande capacité d’adaptation à des environnements dont l’humidité relative est évolutive. / The work developed in this thesis aims to study the hygrothermal behavior of bio-sourced insulating materials, and more particularly wood fibers, hemp concrete, linen wool, sheep wool, material made of textile recycling (metisse®) and flax shives. These materials, which are essentially natural, have specific characteristics linked to their origin (animal or vegetable) and their structure (fibers, straw, solid matrix, etc.). Their very high porosity makes them reactive to the relative humidity variations, which can affect their thermal performances and their durability (as for all materials), but also give them a regulation capacities. In order to improve the knowledge of these particular materials, first, we propose to study the impact caused by moisture on their thermal characteristics, mainly thermal conductivity and specific heat. Then the hygrothermal characteristics are studied, which makes it possible to better understand the phenomena depending on the capacities of adsorption, desorption, permeability or water vapor resistance. Also, we realize the importance of the temperature gradient impact on the evolution of the hygroscopic transfers within the materials. By placing the studied bio-sourced insulation materials under random loading or under real conditions, it will be possible to follow their hygrothermal behavior from an experimental point of view. The numerical approach makes it possible to identify the preponderant influence parameters, in the context of the prediction of coupled heat and mass transfers by simulation under particular conditions of use, such as the renovation of an existing habitat. On the basis of in situ measurements, it can be seen that these materials have a high adaptability to environments whose relative humidity is evolutionary.

Aviation industry is continuously growing especially for very long distance flights due to the globalisation of local economies around the world and the explosive economic growth in Asia. Reducing the time of intercontinental flights from 16-20 hours to 4 hours or less would therefore make the, already booming, ultra-long distance aviation sector even more attractive. To accomplish this drastic travel time reduction for civil transport, hypersonic cruise aircraft are considered as a potential cost-effective solution. Such vehicles should also be fuelled by liquid hydrogen, which is identified as the only viable propellant to achieve antipodal hypersonic flight with low environmental impact. Despite considerable research on hypersonic aircraft and hydrogen fuel, several major challenges should still be addressed before such airliner becomes reality. The current thesis is therefore motivated by the potential benefit of hydrogen-fuelled hypersonic cruise vehicles associated with their limited state-of-the-art.Hypersonic cruise aircraft require innovative structural configurations and thermal management solutions due to the extremely harsh flight environment, while the uncommon physical properties of liquid hydrogen, combined with high and long-term heat fluxes, introduce complex design and technological storage issues. Achieving hypersonic cruise vehicles is also complicated by the multidisciplinary nature of their design. In the scope of the present research, appropriate methodologies are developed to assess, design and optimize the thermo-structural model and the cryogenic fuel tanks of long-range hydrogen-fuelled hypersonic civil aircraft. Two notional vehicles, cruising at Mach 5 and Mach 8, are then investigated with the implemented methodologies. The design analysis of light yet highly insulated liquid hydrogen tanks for hypersonic cruise vehicles indicates an optimal gravimetric efficiency of 70-75% depending on insulation system, tank wall material, tank diameter, and flight profile. A combination of foam and load-bearing aerogel blanket leads to the lightest cryogenic tank for both the Mach 5 and the Mach 8 aircraft. If the aerogel blanket cannot be strengthened sufficiently so that it can bear the full load, then a combination of foam and fibrous insulation materials gives the best solution for both vehicles. The aero-thermal and structural design analysis of the Mach 5 cruiser shows that the lightest hot-structure is a titanium alloy construction made of honeycomb sandwich panels. This concept leads to a wing-body weight of 143.9 t, of which 36% accounts for the wing, 32% for the fuselage, and 32% for the cryogenic tanks. As expected, hypersonic thermal loads lead to important weight penalties (of more than 35%). The design of the insulated cold structure, however, demonstrates that the long-term high-speed flight of the airliner requires a substantial thermal protection system, such that the best configuration (obtained by load-bearing aerogel blanket) leads to a titanium cold design of only 4% lighter than the hot structure. Using aluminium 7075 rather than titanium offers a further weight saving of about 2%, resulting in a 135.4 t wing-body weight (with a contribution of 23%, 25%, 18% and 34% from the TPS, the wing, the fuselage, and the cryogenic tanks respectively). Given the design hypotheses, the difference in weight is not significant enough to make a decisive choice between hot and cold concepts. This requires the current methodologies to be further elaborated by relaxing the simplifications. Investigation of the thermal protection must be extended from one single point to different regions of the vehicle, and the TPS thickness and weight should be considered in the structural sizing of the cold design. More generally, the design process should be matured by including additional (static, dynamic and transient) loads, special structural concepts, multi-material configurations and other parameters such as cost and safety aspects. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / This thesis was conducted in co-tutelle between University of Sydney and Université Libre de Bruxelles.Professor Dries Verstraete was my supervisor at the University of Sydney (so as a member of SydneyUni), but is automatically registered here as a member of ULB because he worked at ULB almost ten years ago.Ben Thornber is also a member of the University of Sydney but the application does not save it for an unknown reason. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail porte sur la modélisation de la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes, par déconfinement d'un liquide: agression extérieure ou situation accidentelle. Le but est la construction d'un modèle apte à reproduire simultanément les conditions génératrices de la formation du nuage et l'évolution de ce nuage dans le temps (dispersion). La principale difficulté réside en la différence des modèles adaptés à la description d'écoulements caractérisant chaque étape du phénomène global : modèle d'écoulement multiphasique à phases compressibles (milieux continus) initialement, puis fragmentation et formation du nuage de gouttes dispersées dans une phase porteuse (modèle d'écoulements dilués). En l'absence de modèle analytique unique apte à décrire l'ensemble de ces processus, on propose une approche originale pour réaliser un couplage effectif entre ces deux modèles. La problématique de formation et de dispersion de liquide implique la prise en compte de plusieurs phénomènes physiques: fragmentation, transferts de chaleur et de masse ainsi que la traînée entre les phases. Ces différents phénomènes sont introduits dans le modèle global via des termes d'interactions présents dans les systèmes d'équations. La construction de ce modèle complet à permis la réalisation de calculs décrivant la formation et la dispersion d'un nuage de gouttes pouvant intervenir lors de situations accidentelles sur des sites industriels par exemple. / This work focuses on modeling the formation and the dispersion of a cloud of droplets, induced by ejection of a liquid, resulting from an external aggression or an accidental situation. The goal is to build a model able to reproduce simultaneously the conditions which generate the cloud formation and the cloud evolution in time (dispersion). The main difficulty lies in the differences between the already existing models adapted to the description of flows which are able to characterize each stage of the global phenomenon: initially a multiphase flow model with compressible phases (Continuum), then the atomization and the formation of a cloud of droplets dispersed in a carrier phase (dilute flow model). We propose a new approach to achieve an effective coupling between these two models. The problem of the formation and the dispersion of the liquid requires to take into account several physical phenomena: atomization, heat and mass transfers and drag between phases. These phenomena are included in the global model through interaction terms involved in the systems of equations. The construction of this model has permited the realization of calculations describing the formation and dispersion of a cloud of droplets which may occur during, for axample, in accidental situations at industrial sites.

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives. / This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur l'évaporation de gouttes reposant sur un substrat solide. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à la description de l'évaporation d'une goutte liquide en regardant notamment l'influence du substrat. Le problème est approché sous un angle nouveau : en contrôlant avec précision les différentes propriétés du substrat que sont sa rugosité, son énergie de surface et ses propriétés thermiques. Cette méthode a permis de découpler les différentes influences du substrat et d'étudier l'évaporation pour différentes dynamiques de ligne triple et une large gamme d'angles de contact, de conductivités thermiques et de températures de substrat. Les résultats expérimentaux sont comparés au modèle classique d'évaporation. Ce modèle considère l'évaporation comme un processus contrôlé par la diffusion de la vapeur dans l'atmosphère. L'étude révèle les domaines de validité de ce modèle et met en évidence les différents mécanismes additionnels pouvant se développer ainsi que leur contribution. L'utilisation d'une caméra infrarouge dévoile le développement d'un motif hydrodynamique complexe non-axisymétrique. L'origine de cette instabilité, ces dynamiques spatiales et temporelles sont également explorées. Dans une seconde partie, l'étude a été étendue à l'évaporation d'une goutte de suspension biologique : le sang. Le séchage de ce fluide conduit à la formation d'un motif complexe dépendant de la mouillabilité du substrat. Alors qu'une situation mouillante met en évidence un dépôt de type annulaire accompagné de fractures radiales, une situation non-mouillante révèle une forme complexe composée de fractures et de plis. / This thesis presents an experimental study on the evaporation of droplets on a solid substrate. In the first part we describe the evaporation of a liquid droplet, taking a particular interest in the influence of the substrate. The problem is approached from a new angle by ensuring that the various properties of the substrate, such as its roughness, surface energy and thermal properties, are controlled precisely. Thanks to this method it is possible to decouple the different influences of the substrate and to study evaporation in relation to various dynamics of triple lines and a wide range of contact angles, thermal conductivities and temperatures of the substrate. Experimental results are compared with the classic evaporation model, which considers evaporation as a process determined by the diffusion of vapor into the atmosphere. The study reveals the range of validity of this model and highlights the different additional mechanisms which may develop as well as their contribution. The use of an infrared camera reveals the development of a complex hydrodynamic non-axisymmetric pattern. The origin of this instability and its spatial and temporal dynamics are also explored. In the second part, the study is extended to the evaporation of a dropl of a biological suspension: human blood. As this fluid dries a complex pattern is formed which is dependent on the wettability of the substrate. Whereas a wetting situation leads to a ring-like deposit with radial cracks, a non-wetting situation reveals a complex shape composed of cracks and folds. The study focuses on the understanding of the physical mechanisms leading to these patterns and of the role of biology.

Les plastiques sont typiquement des polymères de grand poids moléculaire. Ils peuvent contenir des autres substances pour améliorer leurs performances et/ou pour réduire les prix. L'industrie plastique est l'une des industries qui a la croissance la plus rapide du monde : de nombreux produits de la vie quotidienne contiennent l'utilisation du produit plastique. Il y a différents procédés pour la mise en forme des polymères (soufflage, moulage par soufflage, moulage par compression, moulage par transfert, extrusion, moulage par injection) pour lesquels les matériaux utilisés, la qualité et la forme du produit fabriqué varient. En particulier, la demande des pièces moulées par injection augmente chaque année. Cela vient du fait que le moulage par injection est identifié comme une des techniques de fabrication les plus efficaces et économiques pour produire des pièces en plastique de formes précises et complexes. Il y a trois étapes significatives dans le processus : premièrement, on remplit la cavité avec le polymère fondu à une température et à une pression d'injection élévées (étape de remplissage et bien remplissage). Deuxièmement la chaleur de la pièce en polymère est évacuée par le système de refroidissement (étape de refroidissement). Troisièmement, après que la partie solidifiée a été éjectée, le moule est fermé et le prochain cycle d'injection commence (étape d'éjection). / Plastics are typically polymers of high molecular weight, and may contain other substances to improve performance and/or reduce costs. Plastic industry is one of the world?s fastest growing industries; almost every product that is used in daily life involves the usage of plastic. There are different methods for polymer processing (thermoforming, blow molding, compression molding of polymers, transfer molding of polymers, extrusion of polymers, injection molding of polymers, etc.) which differ by the method of fabrications, the used materials, the quality of the product and the form of the final product. Demand for injection molded parts continues to increase every year because plastic injection molding process is well known as the most efficient manufacturing techniques for economically producing precise plastic parts and complex geometry at low cost and a large quantity. The plastic injection molding process is a cyclic process where polymer is injected into a mold cavity, and solidifies to form a plastic part. There are three significant stages in each cycle. The first stage is filling the cavity with hot polymer melt at high injection pressure and temperature (filling and post-filling stage). It is followed by cooling the injected polymer material until the material is completely solidified (cooling stage), finally the solidified part is ejected (ejection stage).