Lorsqu'une goutte impacte une surface chaude dont la température est bien plus élevée que la température d'ébullition du liquide, une couche de vapeur se forme et elle lévite au dessus de la surface: ce phénomène est appelé "Effet Leidenfrost". Dans cette étude, un nouvel algorithme permettant de modéliser les régimes d'évaporation et d'ébullition à l'interface liquide/gaz a été développé. En effet, dans certaines situations où les conditions thermodynamiques à l'interface sont très hétérogènes, la distinction entre les régimes d'évaporation et d'ébullition n'est pas toujours possible. C'est le cas de l'impact d'une goutte sur une surface chaude en régime de Leidenfrost. Dans ce cas, l'ébullition se produit dans le film de vapeur saturée piégé entre la goutte et la paroi, tandis que sur le dessus la goutte s'évapore au contact de l'air ambiant. De ce fait, l'ébullition et l'évaporation peuvent survenir simultanément dans différentes régions de la goutte. Les méthodes numériques classiques ne sont pas en mesure de prendre en compte ce régime transitoire. Par conséquent, un nouvel algorithme a été développé pour y parvenir. Cet algorithme a été utilisé pour simuler le rebond d'une goutte axisymétrique en régime de Leidenfrost. Les résultats sont ensuite comparés à des données expérimentales. / When a liquid droplet impacts on a heated surface at a temperature much higher than the liquid's boiling point, it floats above the surface due to a vapor layer formation: this phenomenon is called the Leidenfrost effect. In this study, we propose a novel numerical method which allows dealing both with evaporation and boiling regimes at the interface between a liquid and a gas. Indeed, in some specific situations involving very heterogeneous thermodynamic conditions at the interface, the distinction between boiling and evaporation is not always possible. It can occur when a droplet impacts a hot surface in the Leidenfrost regime. In this case, boiling occurs in the film of saturated vapor which is entrapped between the bottom of the drop and the plate, whereas the top of the liquid droplet evaporates in the contact of the ambient air. Thus, boiling and evaporation occur simultaneously on different regions of the droplet when it impacts a heated surface. Usual numerical methods are not able to perform computations in this transient regimes, therefore, we propose in this study a new numerical method to achieve this challenging task. This algorithm is used to simulate an axisymmetric impact of a liquid droplet in the Leidenfrost regime for different Weber numbers and the results of this simulations are compared with experimental data.

This diploma thesis evaluates the influence of a thermal insulation of a structure on expenses related to its operation. It addresses the issues of a thermal insulation, energy loss, energy consumption, and evaluates the recovery of investments considering the insulation costs. It also monitors the insulation price projection on the total cost of the property.

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.

L’évolution croissante du prix des carburants ainsi que les normes antipollution de plus en plus drastiques obligent les fabricants de véhicules commerciaux à développer des solutions innovantes pour réduire la consommation de carburant. Dans cet objectif, comme une grande partie de l’énergie contenue dans le carburant est directement relâchée à l’ambient sous forme de chaleur, celle-ci peut être valorisée et transformée via un cycle thermodynamique secondaire. Dans ce cadre, l’importante utilisation du cycle de Rankine à travers le monde en font un candidat naturel pour une implémentation dans un véhicule. Mais contrairement à une utilisation stationnaire, de nombreux obstacles se dressent pour une intégration totale dans un poids lourd. De nombreuses études ont été menées ces trente dernières années afin de déterminer le potentiel réel d’un tel système une fois embarqué à bord d’un véhicule. Les nombreuses sources de chaleur valorisables, les contraintes inhérentes à l’application embarquée ou encore les forts régimes transitoires induits par l’utilisation du camion doivent mener à une optimisation à la fois de l’architecture du système ainsi que de son système de contrôle. L’optimisation du système mène à un choix en terme de sources chaudes et froides, de topologie, de fluide de travail ainsi que de dimensionnement des composants afin de maximiser les performances. Le système de contrôle joue lui un rôle primordial afin de tirer un bénéfice maximum d’un tel système connaissant ses limites physiques ainsi que d’assurer une utilisation efficace. Dans cette thèse, une méthodologie de conception d’un système de valorisation des rejets thermiques est proposée. En se basant sur des simulations du véhicule complet basées sur un modèle détaillé, les thématiques de la sélection du fluide de travail, des sources chaudes et froides ainsi que l’optimisation des composants et du cycle sont approchées. Par la suite, le problème de contrôle en ligne de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est formalisé. En tenant compte des contraintes numériques d’implémentation, différentes stratégies de commande sont mises en place, allant du contrôleur PID à des structures plus avancées telle que la commande prédictive par modèle ou une loi de commande basée sur un observateur. La plupart de ces stratégies sont validées expérimentalement sur un banc d’essai mis en place durant la thèse / The constant evolution of oil prices and the more and more stringent automotive emission standards force the original engine manufacturers to search for innovative solutions in order to reduce oil consumption. As an important part of the energy contained in the primary carrier (the fuel) is lost to the ambient through heat, it seems convenient to recover a part of this thermal energy and to turn it into fuel consumption reduction. Thermodynamic bottoming cycle such as the Rankine cycle could be used to meet this objective. Its popular use throughout the world for electricity generation makes it a natural candidate for on-board implementation in vehicles. However, a certain number of hurdles are still present before the system can be efficiently applied to heavy-duty trucks. In the last thirty years, numerous studies heave been carried out to evaluate the real potential of that kind of system on a vehicle but nothing has yet been commercialized. The heat sources to recover from, the constraints relative to the on-board application and the long and frequent transient behavior of the vehicle mean both the system architecture and its control strategy need to be optimized. The system optimization leads to a choice in terms of working fluid, heat sources and sinks, and components sizing in order to maximize power recovery and hence the fuel saving. The control plays a major role by using the capability of such a system to ensure an efficient and safe operation and limiting the interactions with the other vehicle sub-systems. In this thesis, a system design methodology is introduced to optimize the system architecture using complete model-based vehicle simulation. The constraints relative to the mobile application are taken into consideration to evaluate the potential of such a system. Modelbased control strategies for on controlled variable, namely the superheat level, are developed. Constrained by the implementation platform, different control frameworks ranging from PID to model predictive controllers or observer based controllers are developed to fit into a normal automotive electronic control unit. Most of these novel strategies were experimentally validated on a test rig developed during the thesis

Ce travail de thèse vise à comprendre et analyser les échanges thermiques qui ont lieu entre un bâtiment et son environnement en présence de parois végétalisées « intensives ». Nous présentons dans ce manuscrit, une démarche numérique et expérimentale sur l’évaluation de l’incidence thermique de ces Murs Végétalisés (MV). Une plateforme constituée de trois prototypes identiques (3 mini-laboratoires thermiques) sous conditions climatiques réelles a été conçue et instrumentée. Dans un premier temps, deux écrans permettant une variation rapide et graduelle des taux de couvertures de 10 à 100% ont été ajoutés devant les prototypes. Ainsi, plusieurs séries de mesures ont été effectuées et des réductions significatives au niveau des températures et des flux de chaleur ont été enregistrées et interprétées. Cette démarche expérimentale avait pour premier objectif de mettre en oeuvre une occultation artificielle et donc maîtrisée. Un premier modèle a été développé sur la base de l’écriture des équations de bilan des échanges thermiques entre la paroi à occultation variable et son environnement climatique. Ce modèle confronté aux résultats fournis par l’expérimentation apermis de valider les approches théoriques au niveau des transferts radiatifs et convectifs. Dans un deuxième temps, le premier modèle qui a été développé dans ce travail a été adapté au cas d’une occultation « réelle » par de la végétation (lierre ou vigne vierge) puis validé expérimentalement. Il a été finalement implémenté dans un code de simulation thermique dynamique de bâtiment (TRNSYS), et ainsi l’incidence thermique des murs végétalisés simples (intensifs) a pu être évaluée à l’échelle réelle d’un bâtiment. Les résultats de simulations pour un climat tempéré montrent que la présence des plantes à feuilles persistantes a un impact négatif sur la demande énergétique hivernale. A l’inverse, en période estivale, les résultats montrent que les murs végétalisés ont un intérêt au niveau de la limitation des surchauffes. Leur présence réduit alors notablement la consommation énergétique nécessaire pour « climatiser » le bâtiment et améliore ainsi le confort thermique intérieur. / This PhD thesis aims to understand and analyse the heat exchanges that occur between a building and its environment in the presence of intensive vegetated walls. In this manuscript, a numerical and experimental approach to evaluate the thermal impact of green walls is presented. A platform composed of three identical prototypes (3 thermal mini-laboratories) under real weather conditions has been designed and instrumented. As a first step, two screens permitting a rapid and gradual variation of coverage rate from 10 to 100% were added to the prototypes. Thus, several series of measurements were performed and significant reductions in temperature and heat flow were recorded and interpreted. The primary objective of this experimental approach was to implement an artificial shading and thus controlled. A first model was developed based on the writing of heat exchanges energy balance equations between the wall with variable coverage rate and its climatic environment. This model confronted to the experimental results allowed the validation of the theoreticalapproaches at the level of radiative and convective heat transfer. Secondly, the first model that was developed in this work has been adapted to the case of a "real" occultation by vegetation (Ivy or Virginia creeper) then validated experimentally.It was finally implemented in a dynamic thermal simulation code (TRNSYS), and thus the thermal impact of green walls were evaluated at the real scale of a building. Simulation results in a temperate climate show that the presence of evergreen plants has a negative impact on winter energy demand. Conversely, in summer, the results show that green walls have an interest in limiting overheating. Their presence significantly reduces energy consumption needed to cool the building and improves the indoor thermal comfort.

Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation électrothermique des batteries Lithium-ion de grande puissance, appliquée pour les véhicules électriques et pour le stockage d’énergie intégré au réseau. Une approche plus particulière est donnée sur la modélisation thermique de la batterie et de ses connectiques dans le but d’anticiper les comportements thermiques sous des sollicitations dynamiques de courant. De nombreuses investigations ont été réalisées dans le but de déterminer les différents paramètres électriques et thermiques de l’accumulateur, nous avons également cherché à comparer plusieurs méthodes de caractérisation différentes.La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation et à la modélisation électrique.La seconde partie présente la caractérisation thermique et le modèle thermique de la batterie. Nous proposons une approche couplée de différents modèles thermiques, dans le but de prédire les comportements thermiques au niveau de la surface et du cœur de la cellule, mais également au niveau des connectiques et des câbles.Enfin, la dernière partie présente la modélisation électrothermique d’un module assemblé de trois cellules en séries. Les résultats de simulations ont été validés sur des régimes à courant constant, ainsi que sur des régimes de courant dynamique.Le travail accompagne l’intégration des modèles thermiques dans une plateforme de simulation de systèmes énergétique et ouvre des pistes vers des outils d’aide à la conception de packs de batteries, sur l’aide au dimensionnement de systèmes de refroidissement et sur le développement d’outil de diagnostic thermique des batteries. / This thesis work focuses on the electrothermal modeling of high-power Lithium-ion batteries, applied for electric vehicles and the energy storage connected to the the grid. A particular approach is given on the thermal modeling of the battery and its connectors in order to anticipate the thermal behaviors under dynamic charge and discharge current, which is very useful for the thermal management systems of the batteries. Numerous investigations have been carried out in order to determine the different electrical and thermal parameters of the accumulator, we have also tried to compare several different methods.The first part of the manuscript is dedicated to characterization and electrical modeling.The second part presents the thermal characterization and the thermal model of the battery. We propose a coupled approach of different thermal models, with the aim of predicting the thermal behaviors at the level of the surface and the core of the cell, but also at the level of the connectors and the wire.Finally, the last part presents the electrothermal modeling of a small assembled module of three cells in series. The results of simulations have been validated on constant current regimes, as well as on dynamic current regimes.The work aims to integrate the thermal models in a simulation platform of energy systems and opens up paths towards tools to help in the design of battery packs, assistance with the dimensioning of cooling systems and the development of thermal diagnostic tool for batteries.

Le Cycle Organique de Rankine (abrégé ORC de l’anglais Organic Rankine Cycle) est une technologie permettant la conversion de chaleur basse température en électricité. L’ORC transcritique a été identifié comme une solution prometteuse pour la valorisation de la chaleur fatale. Cependant, peu d’installations expérimentales ont permis de confirmer ces performances. Ce travail de thèse présente le fonctionnement et l’optimisation d’ORC sous-critique et transcritique pour la conversion de chaleur basse température en électricité à partir de différentes sources. Premièrement, les contextes thermodynamique et technologique de l’ORC sont présentés. Des critères de performance énergétiques et exergétiques sont définis et appliqués à une base de données d’installations expérimentales afin d’exposer l’état de l’art actuel des ORC. Deuxièmement, les outils numériques et expérimentaux, spécifiquement développés ou utilisé pour ces travaux, sont présentés. Trois installations expérimentales d’ORC transcritique complet ou incomplet fournissent les données expérimentales. Différents modèles numériques sont utilisés : sous l’environnement Matlab pour la modélisation en permanent, l’analyse des données expérimentales et l’analyse énergétique/exergétique ; L’environnement Modelica/Dymola pour l’analyse des transitoires et de la dynamique du système. Dans un troisième temps, ces différents outils sont utilisés pour étudier quatre différentes problématiques : - Le fonctionnement de la pompe de circulation est étudié, d’un point de vue énergétique et volumétrique. Des modèles semi-empiriques et des corrélations de performance sont présentés. - Les transferts thermiques en supercritique sont examinés, en local et en global. Les coefficients de transfert thermique sont comparés avec différentes corrélations de la littérature. - L’influence de la charge de réfrigérant sur les performances et le comportement de l’ORC est analysée. La charge optimale est estimée pour différentes conditions de fonctionnement et des mécanismes de régulation de la charge sont présentés. - Les performances énergétiques et exergétiques de l’ORC sont comparées avec la base de données. Une analyse exergétique du procédé a permis d’identifier des voies d’amélioration. / The Organic Rankine Cycle (ORC) is a technology used for low-grade thermal energy conversion into electricity. Transcritical ORC has been identified as a solution for efficient waste heat recovery. However, few experimental tests have been conducted to confirm the interest of transcritical ORC and investigate its operational behaviors. The work presented focuses on the operation and the optimization of subcritical and transcritical Organic Rankine Cycles for low-grade heat conversion into electricity from various heat sources (solar, industrial waste heat). First, the thermodynamic framework of ORC technology is presented. Energetic and exergetic performance criteria, appropriate to each type of input source, are introduced and selected. The criteria are later applied to a database of ORC prototypes, in order to objectively analyze the state-of-the-art. In a second step, the experimental and numerical tools, specifically developed or used in the present thesis, are presented. Three subcritical and transcritical ORC test benches (hosted by CEA and AUA) provided experimental data. Numerical models were developed under different environments: Matlab for steady-state modeling, data processing and energy/exergy analysis. The Modelica/Dymola environment for system dynamics and transient operations. Lastly, the different tools are exploited to investigate four different topics: - The ORC pump operation is investigated, both under an energetic and volumetric standpoint, while semi-empirical models and correlations are exposed. - Supercritical heat transfers are explored. Global and local heat transfer coefficients are estimated and analyzed under supercritical conditions, while literature correlations are introduced for comparison. - Working fluid charge influence over the ORC performance and behavior is investigated. Optimal fluid charge is estimated under various operating conditions and mechanisms for charge active regulation are exposed. - ORC system performances and behavior are discussed. Through both an energetic and exergetic standpoint, performances are compared with the state-of-the-art, while optimization opportunities are identified through an exergetic analysis.