Thèse de doctorat : sciences. Génie électrique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / 167 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie électruqye : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. 167 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique, productique, transport : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 99 réf.

Thèse doctorat : Thermique et Energétique : Villeurbanne, INSA : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre. Annexes.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 127 réf.

Ce travail de thèse sur les milieux poreux est axé sur deux parties. La première concerne l'étude numérique de l'écoulement d'un fluide Newtonien ou non-Newtonien au sein d'un système fluide/poreux. L'approche à un seul domaine qui consiste à écrire l'équation de Navier-Stokes incluant le terme de Darcy-Brinkman-Forchheimer est adoptée dans cette étude. La relation entre le gradient de pression et la vitesse débitante linéaire dans le cas de Darcy où le fluide est Newtonien, est obtenue. Cette relation est étendue dans le cas non-Darcy où le fluide est non Newtonien. L'influence des nombres de Darcy et de Forchheimer sur la structure de l'écoulement est montrée. Dans la seconde partie, une étude de stabilité linéaire et numérique de la convection naturelle de fluides viscoélastiques saturant une couche poreuse horizontale chauffée par un flux constant est réalisée. Une étude d'instabilité primaire et secondaire nous a permis de montrer que pour un fluide Newtonien, la convection monocellulaire perd sa stabilité au profit des rouleaux longitudinaux. Dans le cas des fluides viscoélastiques, on trouve que l'élasticité du fluide induit la sélection des rouleaux transversaux propagatifs. Une solution numérique basée sur un schéma aux différences finies est venue conforter ces résultats analytiques. / The present thesis on porous media concentrates in two parts. The first concerns the numerical study of the flow of a Newtonian or a non-Newtonian fluid within a fluid/porous system. The approach of a single domain, which consists of/in writing the Navier-Stokes equation including the Darcy-Brinkham-Forchheimer term, is chosen in this study. The linear relation between the pressure gradient and the bulk velocity in the Darcy case, for which the fluid is Newtonian, is obtained. This relation is extended to the non-Darcy case, for which the fluid is non-Newtonian. The influence of Darcy and Forchheimer numbers on the structure of the flow is presented. In the second part, linear stability and numerical analysis of the natural convection of viscoelastic fluids saturating a horizontal porous layer heated by a constant flux is performed. A primary and secondary instability study allowed to show that, for a Newtonian fluid, the unicellular convection loses its stability to the benefit of longitudinal rolls. In the case of viscoelastic fluids, the elasticity of the fluid leads to the selection of propagation transverse rolls. A numerical solution based on a finite difference scheme has reinforced these analytical results.

Le secteur de la construction représente 37 % des émissions de gaz à effet de serre et consomme 30 % de l'énergie produite dans le monde, majoritairement d'origine fossile. L'utilisation de cette énergie se partage entre la phase de construction et celle d'utilisation des bâtiments. L'isolation des bâtiments permet de réduire cette consommation en phase d'emploi en optimisant la gestion du chauffage. Cependant, les matériaux d'isolation traditionnels, comme la mousse polyuréthane giclée, reposent sur des ressources fossiles non renouvelables. Des isolants biosourcés, comme la ouate de cellulose ou la fibre de chanvre, sont des alternatives déjà envisagées, mais les propriétés de ces matériaux ne permettent pas de compenser les performances de la mousse polyuréthane en termes de conductivité thermique, perméance à l'air et à l'humidité notamment. Ce projet de recherche explore la substitution des composés pétrosourcés par des bioressources dans la mousse polyuréthane giclée en s'intéressant aux filaments de cellulose (CFs) produits par l'entreprise Kruger inc. à partir de pâte Kraft blanchie de résineux du Nord, préservant la longueur des filaments produits. La cellulose, le biopolymère le plus abondant dans la nature, offre un potentiel intéressant en raison de ses propriétés mécaniques et thermiques et de sa disponibilité. De plus, elle comporte des fonctions hydroxyles qui la rendent modifiable chimiquement. L'objectif principal de ce projet est donc de développer un isolant giclé pour la construction en bois, en valorisant cette ressource, tout en réduisant l'utilisation de matériaux pétrosourcés et en maintenant les performances des isolants actuels. Le potentiel des CFs en tant que charge dans une mousse polyuréthane a été évalué et les performances ont été comparées aux mousses de référence préparées au laboratoire sans composants biosourcés. Les formulations de mousse ont été ajustées en ajoutant des CFs à différents pourcentages, puis leurs propriétés (viscosité, morphologie, perméabilité à la vapeur d'eau, densité, conductivité thermique et résistance à la compression) ont été étudiées. Les CFs ont eu un impact significatif sur les propriétés de la mousse, notamment sur la taille des cellules et la sorption de vapeur. Les quantités de filaments étudiées (1 %m/m CF, 2.5 %m/m CFs et 5 %m/m CFs) dans la mousse ont permis de respecter les attentes de la norme associée aux mousses polyuréthanes pulvérisées de densité moyenne. Cependant, les résultats conduisent à des améliorations minimes des propriétés sans substitution des composants pétrochimiques. Lorsqu'utilisés en quantités excessives, ici supérieur ou égal à 5 %m/m, les CFs détériorent les propriétés du matériau, ce qui ne permet d'en intégrer qu'une faible proportion *i.e.*, inférieure à 5 %m/m CFs. L'utilisation de la cellulose comme simple charge a montré ses limites et est insuffisante pour réduire l'impact environnemental des mousses de polyuréthane. Il est donc nécessaire de se concentrer sur la substitution des produits à base de pétrole contenus dans les mousses. La modification chimique des CFs pour substituer le polyol pétrosourcé a ensuite été étudiée. Deux méthodes d'éthérification ont été employées (à partir de glycérol dans un cas et de glycidol et éthylène carbonate dans un deuxième cas) pour modifier les CFs, produisant des fonctions réactives et accessibles à partir des groupes hydroxyles pour réagir avec l'isocyanate présent. Les polyols résultants et les mousses de polyuréthane ont été caractérisés. Les mêmes propriétés qu'en première partie ont été étudiées. Les résultats ont montré une réactivité réduite des polyols biosourcés, impactant la taille et l'ouverture des cellules, et entraînant une détérioration des propriétés mécaniques conduisant à une non-conformité aux normes canadiennes sur les mousses polyuréthane. Malgré cela, des résultats prometteurs de conductivité thermique ont été obtenus (à 50 % de substitution avec P1+P2) en restant compétitif face à la conductivité thermique d'isolants conventionnels (laine de roche ou fibre de bois). Enfin, cette étude a permis d'évaluer la modification des CFs comme solution ignifuge durable pour améliorer les performances environnementales de la mousse de polyuréthane et réduire sa toxicité en cas d'incendie. En effet, le retardateur commercial et pétrosourcé actuellement utilisé, le phosphate de tris(1-chloro-2-propyle) phosphate (TCPP) qui est un composé chloré, émet des fumées toxiques pour l'Homme lors d'incendies. Les CFs ont été traités avec des composés à base d'azote et de phosphore pour obtenir des complexes polyélectrolytes (PEC) et des produits couche-par-couche (LbL). La morphologie, les propriétés thermogravimétriques, le comportement au feu et la sorption de la vapeur d'eau ont été caractérisés. Bien que les niveaux d'imprégnation en phosphore (1.5 ± 0.2 % dans le LbL et 0.75 ± 0.01 % dans le PEC) et azote (4.5 ± 0.1 % et 7.5 ± 0.06 %) soient faibles comparé à la littérature (pouvant atteindre 10 %m/m des CFs), les CFs modifiées ont montré des propriétés prometteuses, comparables au retardateur de flamme commercial à quantité de phosphore équivalent, tout en produisant moins de fumée. / The construction sector accounts for 37% of greenhouse gas emissions and consumes 30% of the world's produced energy, predominantly from fossil sources. This energy is divided between the construction phase and the operational phase of buildings. Building insulation helps reduce this consumption during the operational phase by optimizing heating management. However, traditional insulation materials, such as sprayed polyurethane foam, rely on non-renewable fossil resources. Bio-based insulators, like cellulose wadding or hemp fiber, are alternatives that have been considered, but their properties do not match the performance of polyurethane foam, particularly in terms of thermal conductivity, air permeability, and moisture management. This research project investigates the substitution of petroleum-based components with bioresources in sprayed polyurethane foam, focusing on cellulose filaments (CFs) produced by Kruger Inc. from northern bleached softwood Kraft pulp, which preserves the filaments' length. Cellulose, the most abundant biopolymer in nature, offers significant potential due to its mechanical and thermal properties, availability, and modifiable hydroxyl groups. The primary goal of this project is to develop sprayed insulation for wood construction, utilizing this resource while reducing the use of petroleum-based materials and maintaining the performance of current insulators. The potential of CFs as a filler in polyurethane foam was evaluated, and their performance was compared to reference foams without bio-based components. Foam formulations were adjusted by adding CFs at different percentages (1 wt.% CF, 2.5 wt.% CF, and 5 wt.% CF), and their properties (viscosity, morphology, water vapor permeability, density, thermal conductivity, and compressive strength) were studied. CFs significantly impacted foam properties, particularly cell size and vapor sorption. The filament quantities studied in the foam met the medium-density sprayed polyurethane foam standard. However, results led to minimal property improvements without substituting petrochemical components. When used in excessive quantities, here at or above 5 wt.%, CFs deteriorate the material's properties, limiting their integration to a maximum of 5 wt.% CFs. Using cellulose as a simple filler has shown its limits and is insufficient to reduce the environmental impact of polyurethane foams. It is therefore necessary to focus on replacing petroleum-based products within the foams. The chemical modification of CFs to substitute the petroleum-based polyol was subsequently examined. Two etherification methods were employed (from glycerol in one case and from glycidol and ethylene carbonate in another) to modify CFs, producing reactive and accessible functions from hydroxyl groups to react with the present isocyanate. The resulting polyols and polyurethane foams were characterized. The same properties as in the first part of the project were studied. The results showed reduced reactivity of bio-based polyols, impacting cell size and openness, and leading to deteriorated mechanical properties resulting in non-compliance with Canadian polyurethane foam standards. Nevertheless, promising thermal conductivity results were obtained (at 50% substitution with P1+P2), remaining competitive with the thermal conductivity of conventional insulators (rock wool or wood fiber). Finally, this study assessed the modification of CFs as a sustainable flame-retardant solution to improve polyurethane foam's environmental performance and reduce its toxicity in case of fire. The currently used commercial petroleum-based flame retardant, tris(1-chloro-2-propyl) phosphate (TCPP), a chlorinated compound, emits toxic fumes harmful to humans during fires. CFs were treated with nitrogen- and phosphorus-based compounds to create polyelectrolyte complexes (PEC) and layer-by-layer (LbL) products. Morphology, thermogravimetric properties, fire behavior, and water vapor sorption were characterized. Although phosphorus (1.5 ± 0.2% in LbL and 0.75 ± 0.01% in PEC) and nitrogen (4.5 ± 0.1% and 7.5 ± 0.06%) impregnation levels were low compared to the literature (which can reach 10 wt.% of CFs), the modified CFs showed promising properties, comparable to the commercial flame retardant at an equivalent phosphorus amount, while producing less smoke.

L'objectif principal de cet ouvrage fut d'établir et de comparer les possibilités d'isolation thermique des constructions industrialisées en bois, tout en satisfaisant aux exigences en vigueur. La conductivité thermique permet de quantifier la déperdition de chaleur à travers un matériau ou un élément, mais on préfère utiliser son inverse, la résistance thermique, pour caractériser le pouvoir isolant. Cette résistance thermique est très dépendante de la présence d'eau dans la paroi; il est nécessaire de pouvoir détecter et mesurer l'humidité afin de contrôler, d'autre part, la condensation. L'application de ces concepts aux bâtiments en bois constitue la phase pratique du présent travail. Il présente des solutions d'isolation thermique des différentes parties de la maison en fonction, entre autres, de la nature et de l'épaisseur de l'isolant. Ce présent travail peut constituer un guide pratique pour les professionnels du bâtiment, afin de choisir et de concevoir un modèle d'isolation conforme aux normes.

La conception bioclimatique des enveloppes des bâtiments s'intègre dans une démarche de maîtrise de l'énergie et constitue de ce fait un enjeu primordial. Elle nécessite la connaissance des performances énergétiques des composants d'enveloppe et des systèmes associés et doit permettre d'éviter le recours à des dispositifs de chauffage ou de refroidissement, forts consommateurs d'énergie. Dans ce cadre, les technologies passives sont tout à fait indiquées, dans la mesure où elles permettent de réguler les conditions d'ambiance en utilisant des moyens naturels, sans apport énergétique supplémentaire. Les parois complexes en sont un exemple, et se présentent sous la forme d'une juxtaposition de matériaux,séparés par une ou des lames d'air. Nous nous intéressons dans ces travaux à un type particulier de paroi complexe,incluant un produit mince réfléchissant (PMR). Ces derniers sont utilisés en solation thermique des bâtiments et se présentent sous la forme de minces membranes dont les faces sont recouvertes d'aluminium. Compte-tenu de leurs propriétés thermophysiques et de leur épaisseur, ces produits n'entrent pas tous dans la définition des isolants thermiques, selon la norme NF-P-75-101. Le principale conséquence qui en découle est que leurs performances thermiques ne sont pas certifiées par les organismes de référence. En outre, leur mise en oeuvre dans une paroi nécessite la présence d'une ou plusieurs lames d'air, contiguës aux faces réfléchissantes. La paroi ainsi constituée est une paroi complexe, siège de transferts énergétiques couplés. Afin de cerner le comportement thermique d'une telle paroi, il est nécessaire de proposer une modélisation adaptée. Les remarques précédentes illustrent la double problématique des PMR, l'une à caractère réglementaire, l'autre à caractère scientifique. Afin d'apporter des éléments de réponse, une méthodologie en deux volets est proposée. Le premier est expérimental et consiste en la détermination des caractéristiques thermiques de toitures complexes intégrant des PMR, au départ d'une plate-forme expérimentale en environnement naturel ; le second traite de la modélisation d'une toiture complexe au départ d'un prototype de code de calcul dédié, s'apparentant à un code de simulation du comportement énergétique des bâtiments. Les deux volets sont conciliés dans une démarche de validation expérimentale, menant à l'évaluation des prédictions du code de calcul relativement à des données issues d'expérimentations.

Le travail présenté dans cette thèse vise à contribuer à l'analyse des phénomènes magnéto-mécanique et magnéto-thermique à l'aide de la méthode des éléments finis. Généralement, les problèmes magnéto-mécanique et magnéto-thermique sont constitués de plusieurs sous-problèmes dont la nature physique est différente. En utilisant la stratégie du couplage faible , ces sous-problèmes peut être calculés séparément en utilisant la méthode des éléments finis et donc sur leurs propres maillages afin d'assurer la précision. Pour obtenir une solution précise pour l'ensemble du problème multi-physique, il est très important d'assurer la transmission d'informations entre les sous-problèmes. Dans ce travail , nous étudions les méthodes de la projection. Les formulations de la projection sont données pour l'espaces L2 (scalaire et vectoriel), mais aussi pour H(grad), H(rot) et H(div ) afin d'améliorer la précision sur les dérivés. Une méthode de Petrov-Galerkin est présenté pour remplir l'espace test avec une base bi-orthogonale, qui permet de réduire le coût de calcul des projections L2 Ritz-Galerkin. Les techniques d'implémentation sont également exprimées en détails au niveau de la précision, la rapidité et la simplicité de réalisation. Ensuite avec les formulations énergétiques des champs électromagnétiques, des applications de la projection sont démontrées. La précision et l'efficacité de la projection sont données dans les problèmes multi -physiques. La thèse se termine avec les conclusions et des possibilités pour l'avenir. / The work presented in this thesis aims to contribute to finite element analysis of magneto-mechanical and magneto-thermal phenomena. In general, magneto-mechanical and magneto-thermal problems are made up of subproblems of which the physical nature differs. Using weak-coupling strategies, these subproblems can be calculated separately using finite element methods and thus on their own meshes in order to ensure precision. To obtain a precise solution for the entire problem, it is crucial to ensure the transmission of information between the subproblems. In this work, we study field projection methods on overlapping domains. Field projection formulations are given for classical L2 space, as well as for H(grad), H(curl) and H(div) in order to obtain increased projection accuracy for the distributional derivatives. A Petrov-Galerkin method is presented to fill the test space using a bi-orthogonal basis, in order to reduce the computation cost of L2 or L2 Ritz-Galerkin projections. Practical implementation techniques are also discussed in details for the consideration of accuracy, speed and simplicity of realization. Subsequently, with energy-conserving formulations for electromagnetic fields, applications of mesh-to-mesh projections are demonstrated. The accuracy and efficiency of the presented projection methods are given through multi-physics problems. The thesis closes with some conclusions and possibilities for future work.