Une étude de l'oxydation d'une poudre de nanoparticules de cuivre a été menée à 120 - 145°C sous des pressions partielles d'oxygène allant de 1 à 40 kPa. La réaction a été suivie par thermogravimétrie afin d'obtenir les données cinétiques. Des caractérisations chimiques, texturales et morphologiques de la poudre ont été réalisées à différents moments de la transformation. La cuprite (Cu2O) (produit unique) de la réaction croît d'une manière anisotrope et par développement externe autour de la particule initiale qui devient creuse. Une diminution de la surface spécifique et de la porosité de la poudre au cours de la transformation a été mise en évidence.Des tests cinétiques ont montré l'existence d'une étape limitante de croissance jusqu'à un taux de conversion de 0,7 à 140°C. Il a également été montré que pour P(O2) ≤ 4 kPa, les processus de germination et de croissance de l'oxyde interviennent simultanément pendant la réaction et que l'adsorption de l'oxygène est l'étape limitante. Pour P(O2) ≥ 20 kPa, la germination se fait instantanément au début de la transformation dont la vitesse est contrôlée par le processus de croissance, la diffusion du cuivre étant alors l'étape limitante. Deux modèles ont été construits et testés avec succès pour décrire la cinétique dans les deux gammes de P(O2) jusqu'à un taux de conversion donné. Pour expliquer le ralentissement observé au-delà de ce taux de conversion et pour P(O2) ≤ 4 kPa, le modèle a été couplé aux phénomènes de transfert de chaleur et de matière au sein des agglomérats. Ce couplage permet d'évaluer l'hypothèse d'un ralentissement de la réaction par la diffusion des molécules d'oxygène dans les pores de l'agglomérat.

Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent, pour comprendre les phénomènes mis en jeu et fournir des données de référence pour la modélisation et la simulation. D'une part, le coincement frontal d'origine thermique a été décrit à l'aide d'un modèle basé sur un bilan d'énergie dans les gaz frais. Cette modélisation purement conductive du coincement de flamme a été confirmée par une simulation de la combustion de prémélange dans une enceinte sphérique. D'autre part, un modèle de pertes thermiques pariétales a été proposé via une approche originale de la conduction thermique, qui apparaît comme le résultat statistique du rebond des molécules de gaz sur la paroi. Développé en collaboration avec RENAULT, ce modèle validé en régime laminaire et turbulent a fait l'objet d'améliorations pour tenir compte de l'aérodynamique locale qui pilote les échanges thermiques aux parois des chambres de combustion.

Le contrôle précis des boucles de régulation existantes sur une machine frigorifique est essentiel à son bon fonctionnement. Il existe plusieurs méthodes de régulation parmi lesquelles on retrouve la plus ancienne et la plus connue : la commande PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Malgré la simplicité apparente des relations mises en jeu, le régulateur PID est assez délicat à ajuster sur des processus présentant de fortes perturbations comme les installations frigorifiques. L'objectif du travail présenté est de mettre en œuvre une commande prédictive fonctionnelle (PFC) afin de réguler la surchauffe en sortie d'évaporateur, la pression de condensation et la puissance frigorifique sur une installation munie d'un compresseur à vitesse variable. L'utilisation d'une commande PFC nécessite de réaliser une prédiction de l'évolution à venir de la sortie du procédé. C'est un modèle interne qui fait office de modèle de connaissance. En assimilant le procédé à un système du premier ordre, la mise en œuvre de cette commande ne nécessite que trois paramètres : un gain statique, une constante de temps et un retard pur. L'originalité de la démarche développée a consisté à réaliser une modélisation physique de la machine afin de déterminer les paramètres précédents par une approche macroscopique. Une bibliothèque de modèles physiques a été élaborée permettant de simuler le comportement de différents évaporateurs, condenseurs, compresseurs ou vannes de détente. La commande développée a ensuite été implantée sur un automate industriel programmable et des expériences ont été réalisées sur deux machines différentes. La première est constituée de deux échangeurs à tubes et calandre et d'un compresseur à pistons, alors que la seconde comprend un évaporateur à plaques, une batterie à ailettes et un compresseur à vis.

Pour rentabiliser la technologie des cellules solaires, une réduction du coût d'exploitation et de fabrication est nécessaire. L'utilisation de matériaux photovoltaïques a un impact appréciable sur le prix final par quantité d'énergie produite. Une technologie en développement consiste à concentrer la lumière sur les cellules solaires afin de réduire cette quantité de matériaux. Or, concentrer la lumière augmente la température de la cellule et diminue ainsi son efficacité. Il faut donc assurer à la cellule un refroidissement efficace. La charge thermique à évacuer de la cellule passe au travers du récepteur, soit la composante soutenant physiquement la cellule. Le récepteur transmet le flux thermique de la cellule à un système de refroidissement. L'ensemble récepteur-système de refroidissement se nomme module de refroidissement. Habituellement, la surface du récepteur est plus grande que celle de la cellule. La chaleur se propage donc latéralement dans le récepteur au fur et à mesure qu'elle traverse le récepteur. Une telle propagation de la chaleur fournit une plus grande surface effective, réduisant la résistance thermique apparente des interfaces thermiques et du système de refroidissement en aval vers le module de refroidissement. Actuellement, aucune installation ni méthode ne semble exister afin de caractériser les performances thermiques des récepteurs. Ce projet traite d'une nouvelle technique de caractérisation pour définir la diffusion thermique du récepteur à l'intérieur d'un module de refroidissement. Des indices de performance sont issus de résistances thermiques mesurées expérimentalement sur les modules. Une plateforme de caractérisation est réalisée afin de mesurer expérimentalement les critères de performance. Cette plateforme injecte un flux thermique contrôlé sur une zone localisée de la surface supérieure du récepteur. L'injection de chaleur remplace le flux thermique normalement fourni par la cellule. Un système de refroidissement est installé à la surface opposée du récepteur pour évacuer la chaleur injectée. Les résultats mettent également en évidence l'importance des interfaces thermiques et les avantages de diffuser la chaleur dans les couches métalliques avant de la conduire au travers des couches diélectriques du récepteur. Des récepteurs de multiples compositions ont été caractérisés, démontrant que les outils développés peuvent définir la capacité de diffusion thermique. La répétabilité de la plateforme est évaluée par l'analyse de l'étendue des mesures répétées sur des échantillons sélectionnés. La plateforme démontre une précision et reproductibilité de ± 0.14 ° C/W. Ce travail fournit des outils pour la conception des récepteurs en proposant une mesure qui permet de comparer et d'évaluer l'impact thermique de ces récepteurs intégrés à uri module de refroidissement.

Ce travail aborde la problématique des systèmes de refroidissement ou de contrôle thermique industriels. Nous avons particulièrement mis l'accent sur le refroidissement des serveurs informatiques. Une première partie consiste en l'étude des moyens d'amélioration des techniques de refroidissement existantes, tandis que la deuxième partie est une réflexion sur des techniques de refroidissement alternatives potentiellement plus efficaces et répondant aux demandes actuelles du contrôle thermique industriel. Dans le premier chapitre, nous analysons la bibliographie et la théorie relatives aux phénomènes physiques derrière les techniques de refroidissement étudiées. Ensuite, une classification des techniques de refroidissement est proposée en fin de chapitre. Ce chapitre a servi de base pour l'amélioration des technologies de refroidissement existantes et à la réflexion sur de nouvelles techniques plus efficaces. Le second chapitre porte sur l'optimisation d'une plaque froide, destinée au refroidissement des serveurs informatiques, en s'aidant d'un outil numérique et d'essais expérimentaux. Nous avons noté une augmentation des transferts de chaleur dans la plaque froide en utilisant des inserts, notamment ceux en forme de losange disposés en quinconce. A l'inverse, l'utilisation de certains nanofluides en tant que fluides caloporteurs ne semble pas apporter de gain significatif. Dans le troisième chapitre nous détaillons la démarche suivie pour la conception d'un dissipateur de chaleur basé sur une technologie caloducs, destiné au refroidissement des cartes électroniques. En premier lieu, nous présentons le modèle thermohydraulique de dimensionnement d'un caloduc cylindrique ; une étude paramétrique (géométrique, type de fluide,...) nous a permis d'identifier le jeu de paramètres donnant la meilleure performance du caloduc. En second lieu, nous évoquons les tests réalisés sur le dissipateur de chaleur à caloduc qui nous amènent à valider en partie le modèle thermohydraulique développé. Le dernier chapitre porte sur la réalisation et l'étude d'un démonstrateur pour le refroidissement des cartes électroniques par immersion dans un liquide à basse température de saturation. On commence par la mise en place et l'utilisation d'un modèle numérique pour la conception du démonstrateur, puis des tests expérimentaux sont réalisés. Les premiers résultats obtenus en utilisant le SES-36 comme fluide de travail sont assez prometteurs.Mots clés : modélisation, transfert de chaleur, refroidissement, datacenter, liquid-cooling, caloducs, échangeurs, nanofluides, ébullition en vase, simulation numérique

Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1999. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

De manière à respecter les normes européennes en matière d’émission de gaz polluants, les constructeurs automobiles pratiquent le downsizing. Cette pratique consiste en une réduction de la cylindrée des moteurs tout en maintenant un bon niveau de performance. Il s’en suit des puissances spécifiques moteur importantes, l’objectif cible étant de l’ordre de 100 kW/l. Pour de telles puissances, les températures atteintes au niveau des pistons sont élevées, ce qui pose alors le problème de leur tenue thermomécanique. Le refroidissement du piston devient donc un acteur important de la fiabilité du moteur. Le procédé le plus répandu actuellement est le refroidissement par jet d’huile. Le piston est alors refroidi par un écoulement turbulent diphasique incompressible (Air/Huile) dans un environnement mobile. Il s’agit de phénomènes physiques complexes qui sont pour l’instant mal connus. L’optimisation du refroidissement nécessitant une bonne compréhension des phénomènes physiques concernés, nous nous proposons dans ce mémoire de le modéliser au moyen du modèle 1-Fluide diphasique couplé à l’équation de l’énergie. / The present work aims at studying the cooling system used in cars engine to ensure piston thermo mechanical resistance by numerical simulation. Most of actual engines use an oil jet cooling system coupled with 'cocktail shaking' to extract heat from piston. This cooling method brings into play a two-phase incompressible turbulent flow in a mobile environment, due to motion of pistons in the cylinder. The need today for more effective cooling of pistons involves an accurate understanding of the physical mechanisms which are concerned. Modeling could be a good way to achieve it. The idea is to support the engine design process to account for advanced technologies to improve turbine or engine performances, less fuel burn and green house gases. In the present work, a numerical model dedicated to the simulation at small scale of oil/air two-phase flows and related heat transfers is proposed to characterize the cooling of engine elements under fragmented jet impact.

Bon nombre de problèmes d’ingénierie requièrent l’estimation de l’état de systèmes dynamiques. La modélisation de l’espace des états du système est faite à travers un vecteur d’état qui contient toutes informations utiles pour la description du système. Les problèmes d’estimation d’état sont aussi connus comme problèmes inverses non stationnaires. Ils sont d'un grand intérêt dans de nombreuses applications pratiques, afin de produire une estimation séquentielle des variables souhaitées, à partir de modèles stochastiques et de mesures expérimentales. Ceci dans le but d’optimiser statistiquement l’erreur. Ce travail a pour objectif d’appliquer des méthodes de Filtres à Particules à des thermiques et de combustion. Ces algorithmes sont appliqués successivement à un problème de conduction de chaleur, à un problème de solidification et finalement à un problème de propagation d’incendies. / Many areas of engineering require state estimation of dynamic systems. State relevant information to describe the desired system. The state estimation problems are also known as transient inverse problems. They are of great interest in many practical applications, in order to produce sequential estimates of the desired variables through stochastic models and experimental measurements, in such a way that the error is statistically minimized. In this work we solve state estimation problems with the Bayesian class of particle filters, in heat transfer and combustion. These algorithms havebeen applied to problems of one-dimensional transient heat conduction, solidification and fire propagation.

Des expériences d'ébullition convective de HFE-7000 dans un tube vertical chauffé ont été menées dans des conditions de gravité terrestre et de microgravité. Ces expériences consistent principalement en l'étude d'écoulements diphasiques dans un tube de saphir de 6 millimètres de diamètre intérieur, uniformément chauffé par effet Joule à travers un dépôt conducteur d'ITO. Des mesures de pertes de pression, de taux de vide, et de températures de paroi ou de liquide sont réalisées simultanément avec des enregistrements vidéo des régimes d'écoulement dans le tube. Les données correspondantes ont été collectées au sol et lors de quatre campagnes de vols paraboliques qui ont fourni des conditions de niveau de gravité proches de l'apesanteur. Les visualisations des films d'écoulement, ainsi que les signaux de température et de pression sont analysés afin d'obtenir des données sur les régimes d'écoulement, le taux de vide, les frottements pariétaux et interfaciaux, et les coefficients d'échange de chaleur. Ces résultats expérimentaux et les comparaisons réalisées avec d'autres jeux de données en microgravité sont utilisés pour proposer une modélisation de l'ébullition convective en microgravité. / Forced convective boiling experiments of HFE-7000 in a vertical heated tube were conducted in earth gravity and under microgravity conditions. The experiment mainly consists in the study of a two-phase flow inside a 6mm diameter sapphire tube uniformly heated through an ITO coating. Measurements of pressure drops, void fraction, and liquid and wall temperatures are performed, along with flow visualisations. Data were collected in normal gravity and during four parabolic flight campaigns providing near weightlessness conditions. Flow visualisations, temperature and pressure signals are analysed to obtain flow patterns, void fraction, wall and interfacial shear stresses, and heat transfer coefficient data. These experimental results and comparisons with other available datasets are used to attempt a modelling of flow boiling in microgravity.

Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, …) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence. / This work deals with the influence of ultrasound on heat transfer. It relies on the conception of a new kind of heat exchanger, whose structure can be set into vibration at its resonance frequency in the ultrasonic range : 35 kHz. The influence of ultrasound on heat transfer enhancement was thus directly observed within the system. The literature survey showed the originality of this work, corresponding to a first approach of a fluid-fluid heat exchanger. The conception of the heat exchanger, of the test rig and acquisition system both especially dedicated was the main object of the first part of this work. Then, the development of methods for the analysis of energetic performances and their implementation constituted the second part. Finally, various operating configurations (flow regimes, hydraulic configurations, constitutive materials, …) have been studied. Besides, the potential of ultrasound concerning fouling reduction inside the structure was also highlighted.