L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL DE THESE EST DE METTRE EN EVIDENCE LE ROLE DU TRANSFERT THERMIQUE DANS LA PAROI CHAUFFANTE LORS DE L'EBULLITION D'UN LIQUIDE STAGNANT A LA SATURATION. CET EFFET, HABITUELLEMENT NEGLIGE DANS LES MODELES D'EBULLITION, PEUT EXPLIQUER CERTAINES CARACTERISTIQUES DU CYCLE D'EBULLITION ET DE L'ACTIVITE DES SITES DE NUCLEATION. IL A ETE MONTRE QUE LE CYCLE D'EBULLITION PEUT ETRE DECRIT PAR DEUX PHASES: (1) LORS DE LA CROISSANCE DE LA BULLE, LA TEMPERATURE DE LA PAROI DIMINUE GLOBALEMENT PAR EVAPORATION DE LA MICROCOUCHE A LA BASE DE LA BULLE; (2) LA SURCHAUFFE INITIALE EST RETABLIE PRINCIPALEMENT PAR CONDUCTION RADIALE DE LA CHALEUR DANS LA PAROI. ON PEUT ALORS DONNER UNE EXPLICATION DE L'EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DE LA PAROI MIS EN EVIDENCE EXPERIMENTALEMENT A L'AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES THERMOCHROMIQUES ET DE L'INFLUENCE DE L'ANGLE DE CONTACT SUR LES ECHANGES THERMIQUES.

Cette thèse étudie théoriquement les processus de transport au voisinage de la ligne triple de contact liquide-gaz-solide et leur impact sur l'évaporation macroscopique. Dans la première partie de la thèse, l'hydrodynamique au voisinage de la ligne de contact est étudiée sous les conditions de mouillage partiel. L'évaporation induite par le chauffage du substrat dans l'atmosphère de vapeur du même fluide est considérée. La relaxation de la singularité hydrodynamique de la ligne triple est considérée. La principale conclusion de la thèse est que l'effet Kelvin (dépendance de la température de saturation de la pression) est suffisant en soi, pour faire disparaitre la singularité des variables hydrodynamiques. La microrégion (le voisinage de la ligne de contact) est résolue numériquement et analytiquement pour de faibles pentes de l'interface liquide-vapeur. Les échelles de longueur caractéristiques du problème sont identifiées et la nature multi-échelle du phénomène est prise en compte. Les études paramétriques effectuées révèlent le rôle de la résistance thermique de l'interface vapeur-liquide, de la longueur de glissement, du terme thermocapillaire, du recul de vapeur et ainsi que des forces de surface. Une extension de l'approximation de lubrification pour de pentes élevées de l'interface gaz-liquide à l'évaporation est discutée. Dans la seconde partie de la thèse, le modèle précédemment établi pour la microrégion est couplé à des simulations numériques de la croissance d'une bulle de vapeur. Le départ de la bulle de vapeur de la paroi chauffante pendant l'ébullition a également été étudiée. Il a été proposé dans la thèse, que sous des charges thermiques élevées, l'augmentation de l'angle de contact apparent provoque l'étalement de la bulle de vapeur sur la paroi chauffante. Ce phénomène peut conduire, au séchage de la paroi observé pendant la crise d'ébullition.

Le procédé thermique rapide (RTP : Rapid Thermal Process) est très utilisé dans la fabrication des composants de microélectronique. Il correspond à plusieurs étapes clés comme les recuits d'implantation, de siliciuration, d'oxydation, de nitruration et le dépôt de couches minces par CVD (Chemical Vapor Deposition). Il consiste à chauffer un nombre restreint de substrats de silicium par des lampes infrarouges permettant ainsi des durées de traitement très courtes. L'enjeu majeur est d'obtenir une température uniforme à la surface du substrat.Le but de cette étude est de mieux comprendre les relations entre le chauffage par les lampes infrarouges et le profil de température d'un substrat de silicium dans un système thermique rapide, le système AS-One 150, en vue d'améliorer l'uniformité de la température du substrat de silicium. La modélisation du système est réalisée en deux et trois dimensions. La modélisation approfondie d'une lampe infrarouge est aussi effectuée pour mieux cerner les paramètres des lampes à entrer dans les modèles en deux et trois dimensions. Les modélisations ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD'ACE. Les équations de conservation de la masse et de la chaleur ont été considérées et l'équation de transfert radiatif est résolue selon un schéma utilisant la méthode Monte-Carlo. Les modèles sont validés en confrontant les profils de température du substrat et les températures des filaments à des mesures expérimentales. Des simulations avec le modèle en deux dimensions sont par la suite réalisées pour mettre en évidence l'influence du hublot en quartz sur le profil de température du substrat et inversement. Différents paramètres du modèle sont modifiés comme les propriétés radiatives du substrat et du hublot ou la diffusivité. Cette corrélation est ensuite expliquée par les propriétés d'émission, d'absorption, de réflexion et de transmission du substrat de silicium et du hublot en quartz et par l'influence des parois froides du réacteur à 300 K. Les différents phénomènes expliquant la forme du profil de température du substrat sont alors posés dans un schéma en quatre phases. La discussion de ce schéma permet d'aboutir à deux idées pour améliorer l'uniformité de la température du substrat. Ces dernières consistent à modifier les propriétés radiatives au niveau de la surface inférieure du hublot pour laisser passer le rayonnement des lampes et éviter l'absorption du rayonnement émis par le substrat de silicium selon deux configurations. Ces idées sont alors vérifiées par des simulations numériques en deux dimensions. Une future mise en œuvre expérimentale est finalement envisagée.

Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l'utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s'ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l'inertie au bâtiment, humidifier l'air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l'amélioration des systèmes passifs. L'étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d'améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d'approfondir et d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L'approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la réso- lution des équations moyennées en temps, de type RANS. L'avantage d'une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à ce- lui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l'aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l'étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l'application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d'en déduire les grandeurs intégrales d'intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d'air, ...). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d'autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Les composants électroniques présentent des facteurs d'échelle géométrique importants, et font intervenir des matériaux aux conductivités thermiques très différentes. L'expérience montre que dans ce cadre, la méthode des éléments de frontière est un choix judicieux pour la simulation thermique en régime permanent. En régime transitoire, la dimension temporelle ajoute un certain nombre de difficultés. Parmi celles-ci figurent classiquement l'augmentation des temps de calcul et les critères de stabilité, ou d'un manière plus générale les liens entre discrétisations spatiale et temporelle. Plus spécifiquement, un des enjeux actuels en électronique est de mesurer l'impact de phénomènes très localisés, comme des commutations ou des courts-circuits, sur la thermique globale d'un composant. Il s'agit alors de coupler différentes échelles espace-temps, en assurant en particulier des changements d'échelle sans perte d'information. Dans la première partie de ce travail, on propose d'utiliser la méthode des éléments de frontière transitoire pour répondre à cette problématique. On combine tout d'abord différentes formulations intégrales et des techniques d'optimisation pour réduire le coût de la méthode. On réutilise ensuite ce travail pour développer une approche multi-échelles, et généraliser la méthode des éléments de frontière aux matériaux non linéaires. Une seconde partie est consacrée au développement d'une méthode alternative, visant à réduire les temps de calcul de manière plus significative tout en conservant une base éléments de frontière. Il s'agit d'une méthode de décomposition propre généralisée, qui permet de construire une représentation à variables séparées de la solution de manière non incrémentale. On étudie la convergence de l'algorithme sur différents cas de test, en proposant des techniques pour traiter des conditions aux limites et initiales non homogènes, ainsi que des termes sources non linéaires.

Le CEA travaille sur des matériaux poreux - alvéolaires, composites, céramiques, etc. - et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d'utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu'ils auraient s'ils étaient homogènes.L'identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d'une part de simuler tout type d'expériences thermiques numériques - en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique -, et d'autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d'utilisation.

La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur qui permet la réalisation de pièces de géométrie complexe à partir d'un jet de poudre. Les pièces sont obtenues en superposant différentes couches de matière à l'aide d'une buse coaxiale avec un faisceau laser. Cette technique de fabrication, très rapide, reste cependant peu répandue, en particulier du fait de l'irrégularité des surfaces. L'objet de ce travail est de développer des modèles numériques capables de prédire le paramètre d'ondulations caractérisant l'état de surface à partir uniquement des paramètres opératoires et des propriétés thermophysiques du substrat et de la poudre, dans le but de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'état de surface dégradé. Une première étude a porté sur la fusion locale d'un barreau vertical sous l'action d'un laser afin de valider la mise en données du modèle numérique. Ce modèle thermohydraulique inclut les effets de tension superficielle et utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) pour suivre la déformation de la surface libre. Ce modèle prédictif a été transposé au procédé FDPL en intégrant l'apport de matière dû au jet de poudre. Les caractéristiques de ce jet de poudre sont obtenues grâce à un modèle 3D prédisant la trajectoire des particules et leur échauffement sous l'action du faisceau laser. Ces données servent à définir les conditions aux limites de modèles 2D thermohydrauliques du bain fondu. Nous avons ainsi retrouvé, pour un substrat mince, la corrélation établie expérimentalement entre l'amplitude des ondulations et le taux de dilution. Il a été montré que, dans le cas de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, un meilleur état de surface est obtenu pour une forte puissance laser, une vitesse de défilement élevée et un faible débit massique. La simulation 2D de dépôts multicouches a permis d'étudier l'influence de la stratégie de balayage et du temps de pause entre couches. Une étude de sensibilité a également été menée afin d'analyser le rôle de paramètres tels que le coefficient thermocapillaire ou la viscosité. L'étude a par la suite été étendue à un cas 3D pour étudier l'effet de la distribution énergétique du faisceau laser ainsi que les propriétés thermophysiques. La prédiction des différents modèles numériques développés à l'aide du code de calcul COMSOL Multiphysics® est validée grâce à des données expérimentales.

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.

Cette thèse présente un modèle thermique et électrique de paroi photovoltaïque (PV) intégrée ou semi-intégrée au bâtiment. La particularité du modèle est le transfert de chaleur entre le panneau et le bâtiment, décrit de telle manière que leurs modèles respectifs soient totalement couplés. Ceci a l'avantage de permettre la prédiction de l'impact de l'installation PV sur le champ de température du bâtiment et donc sur le confort thermique associé. Le but de l'étude est de mettre en évidence l'impact des panneaux PV en termes d'isolation thermique ou de protection solaire pour le bâtiment et la résultante en termes de gain énergétique. De plus, une séquence expérimentale a été menée à l'île de La Réunion, où le climat est tropical et humide, avec un rayonnement solaire important. Dans de telles conditions, il est important de minimiser la sollicitation thermique à travers l'enveloppe du bâtiment, en particulier la toiture. Le modèle est intégré à un code de simulation thermique du bâtiment (ISOLAB) et peut prédire l'impact des panneaux PV installés selon différentes configurations, mais aussi le productible photovoltaïque de l'installation. Finalement, l'étude expérimentale est utilisée pour fournir des éléments de validation du modèle numérique et une analyse de sensibilité est lancée pour mettre en évidence les paramètres les plus influents du modèle. Il a été démontré que les paramètres radiatifs du panneau PV ont un impact important sur le champ de température du bâtiment et que leur détermination doit être faite correctement. Les résultats de cette analyse sont ensuite utilisés pour optimiser le modèle thermique à l'aide du logiciel d'optimisation GenOpt.

Le transport maritime fait face à trois défis majeurs : le dérèglement climatique, l'augmentation du cours du baril et le durcissement des normes internationales en termes de pollution et d'émission de CO2. Ce triple challenge peut être relevé en réduisant la consommation de fioul. L'efficacité énergétique des navires est déjà très bonne en comparaison des autres moyens de transport mais elle peut et doit encore progresser. Il existe à cet effet de multiples solutions techniques et opérationnelles. Mais évaluer leur impact réel sur les économies finales n'est pas toujours chose aisée étant donnée la complexité des navires. Une première approche globale de modélisation énergétique du navire tente de répondre à cette problématique. Basée sur le premier principe de la thermodynamique, cette approche a permis de modéliser un paquebot. La consommation de fioul et les émissions associées ont été calculées avec un niveau d'exactitude satisfaisant. Le modèle s'est de plus montré très utile dans la comparaison d'alternatives de conception, illustrant ainsi sa capacité à évaluer les solutions d'économie d'énergie. Une deuxième approche vient compléter la première. Basée cette fois-ci sur le second principe et notamment sur le concept d'exergie, cette approche propose une description plus détaillée et physique du navire. Elle permet d'évaluer précisément les gains d'énergie possibles et en particulier la part convertible en travail mécanique. Cette approche novatrice a nécessité le développement de nouveaux modèles et notamment un nouveau modèle de moteur diesel basé sur l'approche moyenne et qui permet de calculer la balance thermique complète et ce sur tout le champ moteur.