Le contrôle thermique des réactions dans les réacteurs à lits fixes nécessite la maîtrise du transfert thermique en proche paroi. Afin d’optimiser leur conception et en particulier de maintenir un chemin réactionnel le plus proche possible de l’isothermicité, un modèle de transfert thermique pertinent dans un tel milieu est indispensable. Deux premières thèses au Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée ont permis de mettre au point un modèle dispersif utilisable à cœur de réacteur. La présente thèse met en évidence un effet de paroi non négligeable causé par la variation de porosité du lit à l’approche de la paroi. Ce travail propose un raccordement du cœur, où le modèle thermique précédent est légitime, à la paroi, par une couche homogénéisée. Cette approche est validée par une caractérisation expérimentale des paramètres du modèle sur un dispositif de laboratoire en utilisant une méthode d’inversion originale reposant sur une approche Bayesienne. Une validation de cette caractérisation dans une géométrie plus proche d’un réacteur industriel est également effectuée / Thermal control for chemical reactions conducted in fixed-bed reactors requires a fine knowledge about heat transfer in the near-wall region of the bed. In order to optimize the process design, to minimize the mass of catalyst that is needed, one must attempt to maintain the operational path of the reactor the closest of the isotherm functioning. A pertinent and reliable heat transfer model is then required. Two thesis were realized in the Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée in order to construct a corresponding dispersive model. This model can be used at the core of the reactor, where the porous medium can be homogenized. This thesis shows a wall effect that cannot be neglected. This wall effect is directly caused by the important variation of the porosity distribution near the wall of the bed. This work proposes a junction between a core layer, where the previous model is still valid, and the wall through an homogenized near-wall layer. This approach is validated by the mean of an experimental characterization of the model parameters, using an original inversion technique based on a Bayesian approach. A validation of this characterization in another geometry is also done. This geometry is closer to an industrial reactor

Cette thèse présente un couplage thermodynamique pour une modélisation approfondie du processus de soudure par ultrasons, surtout la soudure des thermoplastiques. Il s’agit de bien connaître le mode de fonctionnement des ensembles acoustiques réalisant la soudure ainsi que le comportement des matériaux à souder. En conséquence, les propriétés de ces matériaux, surtout celles nécessaires pour la modélisation par éléments finis, sont identifiées. Les paramètres mécaniques et thermiques sont mesurés en statique et ils sont comparés avec les résultats calcules par homogénéisation. Certains sont déterminés en dynamique, selon la fréquence et aussi en fonction de la température. Ceci est très utile parce que les matériaux travaillent à haute fréquence ultrasonique et que la température lors de la soudure change fortement. La machine de soudage par ultrasons (l’ensemble acoustique) a déjà été conçue et fabriquée. La modélisation EF en 3D avec Abaqus nous montre bien ses comportements modaux et vibratoires. Ensuite, les matériaux à souder sont introduits en modélisants le contact dynamique entre l’ensemble acoustique et la bande à souder. Ce modèle nous permet de déterminer le temps de contact et la compression dans les matériaux en fonction de la force de maintien. La dissipation d’énergie qui est engendrée par viscosité des matériaux à souder est calculée et introduite dans le modèle couplé thermomécanique. Le transfert de chaleur dans tout l’ensemble lors de la soudure est modélisé et il montre le champ de température, surtout la température à l’interface entre deux couches de matériaux. Cette modélisation est complétée en utilisant la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) afin de tenir compte du mouvement d’avancement des bandes à souder / This thesis presents a thermomechanical coupling for advanced modeling of welding processes, especially the ultrasonic welding for thermoplastic materials. The mode of operation of welding machines and the behaviour of welding materials must be well known. Consequently, the properties of these materials, especially those required for finite element modelling, are identified. The mechanical and thermal parameters are measured in static mode and are compared with results calculated by homogenization. Some parameters are also measured dynamically and show a dependency on frequency and temperature. This is very useful because the materials are solicited at high ultrasonic frequency and the temperature during the welding changes significantly. The welding ultrasonic machine (the acoustic ensemble) has already been designed and manufactured. The modelling by finite element in 3D with ABAQUS shows good modal and vibration behaviours. Then, the welding materials are introduced by modelling the dynamic contact between the acoustic ensemble and welding band. This model allows us to determine the contact duration and the compression in the materials depending on the applied load. The dissipation of energy that is generated by viscosity of welding materials is calculated and included in the thermomechanical coupled model. The heat transfer in the whole system is modeled and enable to compute the temperature field, especially the temperature at the interface between two layers of welding materials. This model is completed using the ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) method to take into account the displacement of the welding bands

L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l’écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie, couplées à une équation d’état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l’écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d’informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l’échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l’interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d’écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l’argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi / The main objective of this thesis is to model the multi-scale heat and fluid flows in micro-/nano channels. This method must be able of capturing at the same time the fluid/solid interaction at the small scale but also the flows induced by the inlet/outlet boundary conditions at the large scale. To this aim, we have adopted an approach coupling the continuum model in the bulks of the channel and the discrete model at the vicinity of the wall, based on an atomistic representation of the fluid and the solid.The Navier-Stokes and energy equations, coupled with an equation of state, are approximated by a finite volume method and the molecular dynamics simulations are used to finely represent the interaction between the fluid and the solid. This hybrid method requires information transmission between the former two regions: averaged quantity in molecular dynamics simulations are imposed as boundary conditions for the continuous model and constrained dynamics, coupled with a thermostat Langevin, is used to control in the molecular level. A set of small molecular dynamics blocks, smartly distributed all along the wall/fluid interface, allows to treat flow and heat transfers in a long micro/nano-channel with a reasonable computational cost.After a validation step, the hybrid multi-scale simulations of complex fluid flows in the channel composed of the platinum wall have been conducted for argon in incompressible liquid or compressible gaseous phase with and without phase change in the vicinity of the wall

Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide. / A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.

La problématique de la stabilisation des flammes non-prémélangées reste primordiale. Il faut pour la résoudre déterminer l’importance relative des phénomènes aérodynamiques, thermiques et chimiques intervenant dans les mécanismes de stabilisation. La démarche expérimentale utilisée pour cela au cours de cette thèse porte une attention particulière sur l’influence des conditions aux limites thermiques, et comporte deux volets à travers lesquels le rôle des transferts thermiques est mis en exergue. D’abord, la zone d’attachement d’une flamme stabilisée derrière la lèvre du brûleur est examinée, en considérant les couplages entre le positionnement du bout de flamme à proximité du brûleur et la température de la lèvre. Différentes régions ont ainsi pu être identifiées selon le comportement du bout de flamme, qui évolue depuis une nature diffusive vers une nature propagative à l’approche des limites aérodynamiques de stabilité. Par ailleurs, une modification des propriétés thermiques du brûleur a permis de mettre en évidence une évolution, avec la température de la lèvre, du rôle relatif des modes de coincement thermique et chimique de la flamme par la paroi du brûleur. Ensuite, l’étude concerne non plus un état stabilisé de la flamme, mais les transitions entre les différents régimes de combustion, et plus particulièrement le décrochage d’une flamme attachée. L’examen des conditions conduisant à la déstabilisation de la flamme est un moyen d’apporter des éléments-clefs de compréhension quant aux couplages et aux équilibres aérothermochimiques prévalant préalablement au décrochage. Une évolution du processus de décrochage a ainsi été mise en avant avec l’augmentation de la température initiale des réactants, en lien avec l’évolution de phénomènes transitoires d’extinction locale de la zone de réaction. / Non-premixed flame stabilization is still an important issue in combustion. Addressing this issue requires to evaluate the relative importance of aerodynamic, thermal and chemical phenomena involved in the stabilization mechanisms. This thesis develops to this end an experimental approach, with a particular focus on the influence of thermal boundary conditions, examining the role of heat transfer in a twofold analysis. At first, the attachment zone of a rim-stabilized jet-flame is investigated, by careful consideration of the coupling existing between the burner lip temperature and the flame attachment location relative to the burner. Several regions have been identified according to the flame leading edge behavior, which evolves from diffusive to propagative closer to the aerodynamic stability limits. Besides, by modifying the burner thermal properties, a change has been shown in the relative roles of thermal and chemical quenching of the flame by the burner wall, depending on the burner lip temperature. Secondly, the attention is directed to transitions between different combustion regimes, namely attached and lifted flames. In particular, beyond the stable state of an attached flame, its lifting process is investigated. Examining in which conditions destabilization of the flame occurs indeed appears to be an ideal opportunity to gain insight into the aerothermochemical coupling and equilibriums existing prior to lift-off. Thus, the lifting process has been shown to be modified by the reactant initial temperature, in close relationship with the change in occurrence of localized transitory extinction events of the reaction zone.

L’évolution actuelle des exigences en termes de performance énergétique des bâtiments a fait apparaître de nouveaux enjeux et problématiques scientifiques, dont ceux liés à l’humidité. Cette étude s’appuie sur une cellule expérimentale construite sur la technologie des maisons à ossature bois et soumise aux conditions climatiques réelles de Grenoble. L’instrumentation de ce bâtiment et le suivi de l’évolution en température et en humidité dans les différentes couches de l’enveloppe permettent de définir des séquences nécessaires à la validation de modèles numériques. Dans cet objectif, un modèle existant nommé HAM-Tools a été utilisé pour simuler les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à l’échelle du bâtiment. La démarche de validation a été décomposée en plusieurs étapes, de manière à cibler des transferts spécifiques et d’en améliorer la modélisation. Ces études localisées concernent les transferts couplés de chaleur et de masse à travers les parois solides, la modélisation des transferts de chaleur à travers une lame d’air ventilée et enfin la modélisation du renouvellement de l’air intérieur en conditions naturelles. Pour estimer la précision globale du modèle, c'est-à-dire à l’échelle du bâtiment, une séquence expérimentale a été simulée en prenant en compte l’ensemble des transferts couplés simultanément. Les performances du modèle sont discutées à partir des mesures locales, c'est-à-dire dans les parois, puis globales. La bonne concordance entre mesures et résultats de simulation permet de conclure sur la validité et la généricité de la démarche mise en œuvre et les hypothèses de simulation. Plus particulièrement, il est apparu que l’outil de modélisation permet de prédire correctement le comportement moyen des parois en humidité et en température. Il est donc envisageable de l’utiliser pour simuler et estimer l’impact des constituants des parois en termes de durabilité, de performances énergétiques et de confort de l’occupant. / As energy saving is so important in buildings nowadays, envelopes performances have to be more efficient and have to deal with more obligations, such as moisture accumulation and mould growth. This study relies on an experimental wooden frame house exposed to the natural conditions of Grenoble, France. It has been widely instrumented so the wall’s temperature and humidity is monitored at different depths. As a consequence, complete dataset are available and can be used to validate numerical model. In this work, an existing numerical model named HAM-Tolls has been used to simulate the heat, air and moisture coupled transfers at the building scale. The method developed here consists in validating the numerical model step by step, with studying specific transfers separately. The first step deals with heat and mass transfers across the walls. Then, the heat transfers across a ventilated air gap and the air change rate under natural conditions have been studied much in detail. The final step of this works consists in simulating simultaneously every transfer at the building scale. This latest simulation’s results were compared both on a local and on a global point of view with the measurements. As they were found to be in good agreement, this allows concluding on the methodology efficiency, the validity of the modelling assumption and gives good hope with extending this methodology to other studies. Specifically, the simulation tool is able to predict correctly the average temperature and humidity content within the walls. Therefore, it should be suitable with estimating the wall components influence on the wall durability, its energy efficiency and its impact on the occupant’s thermal comfort.

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. / Reduction of greenhouse gas emissions requires reduction of energy consumption. Energy storage on building walls allows reduction in energy consumption. Among storage techniques, latent heat storage offers higher energy storage density than sensible heat storage. INERTRANS project has proposed the development of an innovative facade, coupling transparent insulation and energy storage with a fatty acid phase change materials (PCM). Melting of PCM comprises different phenomena, namely, natural convection in the liquid phase and radiation absorption or transmission. The coupling of all this phenomena is not still studied in scientific literature. In this thesis, a 2D numerical model for studying phase change has been developed. This model uses the lattice Boltzmann method (LBM) with multiple relaxation time (MRT) to resolve velocity field, and finite differences for the temperature field. Phase change is treated with the enthalpy formulation. The original contribution is application of this hybrid approach to the phase change with natural convection, on the one hand, and to the phase change with natural convection and radiation, on the other hand. To verify the model without radiation, a test case taken from literature has been simulated. It concerns the melting of two PCM with a low and high Prandtl number, the tin and octadecane, respectively. Tin melting simulation confirms multiple cells flow, starting with four rolls which merges in three then two rolls. Octadecane simulation shows high convection effect, with a melting front deforming all along the cavity height. Nusselt number plot for octadecane melting with convection is more than three times with conduction only. INERTRANS’ fatty acid simulation shows that convection shall not be neglected, because predicted heat flux with convection may be up to three times that predicted with conduction only. Melted fraction is almost twice than with conduction only. The lattice Boltzmann method applied to radiative heat transfer has also been explored. It turns out that in its current state, this method is not competitive compared to a conventional discrete ordinates method (DOM). Finally, we coupled the DOM for radiation heat flux, with the LBM for velocity field calculation and finite differences for the energy equation to solve the coupling between phase change, convection and radiation. Long wavelength radiation has no noticeable effect on heat transfer. Short wavelength radiation increases heat transfer, however, this increase is not as important as that produced by convection for this kind of material. Since no reference solution exists in the literature, our results can now serve as a basis for future work. An experimental validation would be a necessary perspective.

Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation. / The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling.

In this doctoral work, we adress various problems arising when dealing with multi-physical simulations using a segregated (non-monolithic) approach. We concentrate on a few specific problems and focus on the solution of aeroelastic <p>flutter for linear elastic structures in compressible fl<p>ows, conjugate heat transfer for re-entry vehicles including thermo-chemical reactions and finally, industrial electro-chemical plating processes which often include<p>stiff source terms. These problems are often solved using specifically developed<p>solvers, but these cannot easily be reused for different purposes. We have therefore considered the development of a <p>flexible and reusable software platform for the simulation of multi-physics problems. We have based this<p>development on the COOLFluiD framework developed at the von Karman Institute in collaboration with a group of partner institutions.<p>For the solution of fl<p>uid fl<p>ow problems involving compressible <p>flows, we have used the Finite Volume method and we have focused on the application of the method to moving and deforming computational domains using the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. Validation on a series of testcases (including turbulent flows) is shown. In parallel, novel time integration<p>methods have been derived from two popular time discretization methods.<p>They allow to reduce the computational effort needed for unsteady fl<p>ow computations.<p>Good numerical properties have been obtained for both methods.<p>For the computations on deforming domains, a series of mesh deformation techniques are described and compared. In particular, the effect of the stiffness definition is analyzed for the Solid material analogy technique. Using<p>the techniques developed, large movements can be obtained while preserving a good mesh quality. In order to account for very large movements for which mesh deformation techniques lead to badly behaved meshes, remeshing is also considered.<p>We also focus on the numerical discretization of a class of physical models that are often associated with <p>fluid fl<p>ows in coupled problems. For the elliptic problems considered here (elasticity, heat conduction and electrochemical<p>potential problems), the implementation of a Finite Element solver is presented. Standard techniques are described and applied for a variety of problems, both steady and unsteady.<p>Finally, we discuss the coupling of the <p>fluid flow solver with the finite element solver for a series of applications. We concentrate only on loosely and strongly coupled algorithms and the issues associated with their use and implementation. The treatment of non-conformal meshes at the interface between two coupled computational domains is discussed and the problem<p>of the conservation of global quantities is analyzed. The software development of a <p>flexible multi-physics framework is also detailed. Then, several coupling algorithms are described and assessed for testcases in aeroelasticity and conjugate heat transfer showing the integration of the <p>fluid and solid solvers within a multi-physics framework. A novel strongly coupled algorithm, based on a Jacobian-Free Newton-Krylov method is also presented and applied to stiff coupled electrochemical potential problems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La méthode de refroidissement basée sur le principe thermosiphon présente un grand intérêt en raison de sa simplicité, de sa nature passive et de son coût faible. Elle est adoptée pour le refroidissement à 4,5 K de l’aimant supraconducteur du détecteur de particules CMS auprès du LHC en construction au CERN à Genève. Le travail présenté dans cette thèse étudie expérimentalement les propriétés thermiques et hydrodynamiques d’un écoulement d’He I diphasique en circulation naturelle. Le dispositif expérimental utilisé consiste en une boucle thermosiphon monobranche composée principalement d’un séparateur de phases, d’un tube descendant et d’une section d’essai. Les expériences ont été réalisées en faisant varier plusieurs paramètres tels que le diamètre des sections d’essai (10 mm ou 14 mm) et le flux de chaleur allant jusqu’à l’apparition de la crise d’ébullition. Ces expériences ont permis de déterminer les lois d’évolution des différentes grandeurs caractérisant l’écoulement (le débit massique de circulation, le débit massique vapeur, le titre massique, le coefficient de friction et le coefficient d’échange thermique) en fonction de la densité du flux de chaleur appliquée. Au regard des résultats obtenus, nous discutons la validité des différents modèles classiques existants dans la littérature. Nous montrons que le modèle homogène est le modèle le mieux adapté pour prédire les propriétés hydrodynamiques de ce type d’écoulement dans la gamme de titre massique 0?x?30%. De plus, nous proposons deux modèles pour la prédiction du coefficient de transfert de chaleur diphasique et la densité de flux de chaleur critique. Le premier considère que les effets de la convection forcée et de l’ébullition nucléée agissent simultanément et contribuent au transfert de chaleur. Le deuxième corrèle la densité de flux de chaleur critique mesurée en fonction du rapport altitude sur diamètre / The method of cooling based on the thermosiphon principle is of great interest because of its simplicity, its passivity and its low cost. It is adopted to cool down to 4,5 K the superconducting magnet of the CMS particles detector of the Large Hadron Collider (LHC) experiment under construction at CERN, Geneva. This work studies heat and mass transfer characteristics of two phase He I in a natural circulation loop. The experimental set-up consists of a thermosiphon single branch loop mainly composed of a phase separator, a downward tube, and a test section. The experiments were conducted with varying several parameters such as the diameter of the test section (10 mm or 14 mm) and the applied heat flux up to the appearance of the boiling crisis. These experiments have permitted to determine the laws of evolution of the various parameters characterizing the flow (circulation mass flow rate, vapour mass flow rate, vapour quality, friction coefficient, two phase heat transfer coefficient and the critical heat flux) as a function of the applied heat flux. On the base of the obtained results, we discuss the validity of the various existing models in the literature. We show that the homogeneous model is the best model to predict the hydrodynamical properties of this type of flow in the vapour quality range 0?x?30%. Moreover, we propose two models for the prediction of the two phase heat transfer coefficient and the density of the critical heat flux. The first one considers that the effects of the forced convection and nucleate boiling act simultaneously and contribute to heat transfer. The second one correlates the measured critical heat flux density with the ratio altitude to diameter