Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion. / Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden lämpötila- ja faasimuutoskäyttäytymistä sekä estimoidaan mallin reunaehtoja. Näin luotu inversio-ongelma on kuitenkin matemaattisesti tarkasteltuna ns. huonosti asetettu ongelma, ja sen ratkaisemiseksi käytetään iteratiiviseen säännöllistämiseen perustuvaa menetelmää. Väitöstyön inversioanalyysiä havainnollistetaan pilot-mittakaavan kokeiden avulla, joissa hilsepesuria käyttäen koekappaleen jäähtymisnopeus saadaan erittäin korkeaksi. Tulokset nostavat esille inversio-analyysiin liittyviä ongelmia ja rajoitteita nopeaan jäähtymiseen sekä lämpötilamittauksiin liittyen.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation. / A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

Dans ce travail de thèse, nous proposons dans une première partie l’usage de fibres de la plante marine Posidonia-Oceanica pour la fabrication de matériaux d’isolation thermique de bâtiments. Les caractérisations thermiques effectuées ont permis de mettre en évidence l’effet de la densité des fibres et de traitements chimiques. Il apparaît que ce type de fibres possède une conductivité équivalente à celle d’autres isolants courants et une capacité thermique massique plus élevée. La conductivité thermique en fonction de la masse volumique est comprise entre 0.04 et 0.07 W.m-1.K-1. La capacité thermique massique atteint environ 2500J.kg-1.K-1. Il apparaît également que l’influence du traitement chimique sur les propriétés thermiques n’est pas significative. Les résultats obtenus font de ces fibres un bon candidat pour une utilisation comme isolant thermique dans le domaine du bâtiment. Dans une seconde partie, ces fibres sont utilisées pour le renforcement d’une pâte de ciment. Une gamme de composites a été formulée pour des fractions volumiques en fibres allant de 0 à 20%. Une étude des propriétés hydriques de ces composites a été menée et complétée par des analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et des mesures des propriétés thermophysiques par la méthode du Hot-Disk durant le cycle de séchage. D’autre part, la quantification de la sensibilité de ces matériaux à l’humidité relative a été réalisée par la mesure de la variation de la teneur en eau dans les échantillons dans des environnements à humidité contrôlée. Ces mesures permettent de déterminer le coefficient de diffusion de l’eau. Celui-ci augmente légèrement avec l’augmentation du taux de fibres dans le composite. Du point de vue thermique, l’ajout de fibres améliore les propriétés isolantes des matériaux. En effet, une diminution de 22% sur la valeur de la conductivité thermique est notée avec l’introduction de 20% de fibres, par comparaison à l’échantillon de ciment témoin. L’influence sur la diffusivité thermique et sur la capacité thermique massique n’est pas significative. Du point de vue mécanique, la résistance à la traction par flexion et la compression augmentent légèrement jusqu’à 5 à 10% en volume de fibres puis diminuent. En revanche, une augmentation notable des valeurs de ténacité a été observée avec l’augmentation du dosage en fibres. Une augmentation de 65% est observée avec l’ajout de 20% de fibres. En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation analytique simplifiée a été réalisée. Celle-ci permet d'obtenir des modèles de prédiction des valeurs de la conductivité thermique, de la résistance à la traction par flexion, de la résistance à la compression et de la ténacité en fonction de la quantité de fibres dans le matériau / In this work, we have firstly studied the use of fibers extracted from the marine plant Posidonia-Oceanica as loose-fill thermal insulation material for buildings. Measurements were conducted and allowed the determination of the effect of fibers density and chemical treatments on thermal properties. Thermal conductivities were lying between 0.04 and 0.07 W.m-1.K-1, whereas the heat capacity is about 2500 J.kg-1.K-1. Thus, it was found that fibers thermal conductivity is close to the one of commonly used thermal insulation materials and that their heat capacity is significantly higher. It was also found that the influence of chemical treatment on the thermal properties is not significant. Measurement results showed that these fibers could be a promising ecological loose-fill insulation material in the construction field. Secondly, fibers were used as reinforcement for cement paste. A set of composite samples were formulated by varying fibers volume fractions from 0 to 20%. Their hygroscopic, thermal and mechanical properties were evaluated. Composites were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and their thermophysical properties were measured with a Hot Disk thermal constants analyzer during the drying cycle. Sensitivity of these materials to relative humidity was examined by measuring the water content variation in controlled humidity environments. These measurements allowed the quantification of the water diffusion coefficient. This coefficient increased slightly with the increase of fibers content in composite samples. Concerning thermal properties, the addition of Posidonia-Oceanica fibers improved the material insulating properties. In fact, a decrease of about 22% on thermal conductivity values was found with the introduction of 20% of fibers compared to the unfilled cement paste. For Posidonia-Oceanica fibers volume fractions considered in this study (0 to 20 Vol.%), the effect of the presence of fibers on thermal diffusivity and on heat capacity is not significant, regarding the measurement uncertainties. Concerning mechanical properties, flexural and compressive strengths increased for about fiber volume fractions in the range of 5 to 10%. Moreover, a noticeable increase of toughness was observed with increasing fibers amount: for instance, an increase of about 65% was observed with the introduction of 20% of fibers in the composite. Based on the experimental observations, simplified analytical models were developed to predict thermal conductivity, flexural strength, compressive strength and toughness as a function of fibers volume fraction in the material

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.

L’objectif de ce travail est d’étudier et de contribuer à améliorer la capacité des liquides ioniques pour l’absorption sélective de dioxyde de carbone. Pour cela nous avons envisagé la fluorination partielle des cations ou des anions constituant les liquides ioniques. Nous avons sélectionné des liquides ioniques partiellement fluorés à étudier, dont trois ont été synthétisés dans ce travail. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact de la structure des liquides ioniques purs sur leurs propriétés thermophysiques telles que la masse volumique, la viscosité et la stabilité thermique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés thermodynamiques de mélanges des liquides ioniques avec des gaz ou des liquides. La miscibilité de l’eau a ainsi été étudiée en fonction de la température. Nous avons mesuré la solubilité de cinq gaz (dioxyde de carbone, protoxyde d’azote, éthane, azote, hydrogène) dans les liquides ioniques, pour des températures comprises entre 298 K et 343 K et des pressions proches de la pression atmosphérique. La simulation moléculaire a été utilisée afin d’identifier les sites préférentiels de solvatation de dioxyde de carbone et d’éthane, et de proposer des mécanismes moléculaires de solvatation de ces gaz. Les coefficients de diffusion du dioxyde de carbone et de l’éthane dans les liquides ioniques ont été calculés. Nous avons déterminé l'enthalpie de solution et la limite de solubilité du dioxyde de carbone en fonction de la pression à 313 K utilisant une technique calorimétrique à écoulement. / The research project of this thesis is devoted to the evaluation of the use ionic liquids for applications in carbon dioxide separation and capture. The objective of this work is to improve the ability of ionic liquids to selectively absorb carbon dioxide by partially fluorinating the alkyl chains on the cation and / or the anion. First, we selected the ionic liquids to study and we had to synthesize three ionic liquids.Then, the first part of our studies is focused on the impact of the structure of pure ionic liquids on their thermophysical properties. Density, viscosity and thermal stability were determined. The second part of our studies deals with the determination of the thermodynamic properties of solution of gaseous solutes and liquids in ionic liquids. The miscibility gap in mixtures of ionic liquids with water was studied as a function of temperature. We have determined experimentally the solubility of five gases (carbon dioxide, nitrous oxide, ethane, nitrogen and hydrogen) in Ionic liquids for temperatures between 298 K and 343 K and pressures close to atmospheric pressure. Molecular simulation tools were used in order to identify the preferential solvation sites of carbon dioxide and ethane in ionic liquids and we have proposed the molecular mechanisms of solvation. Moreover, the diffusion coefficient of carbon dioxide and ethane in some ionic liquids was investigated. Finally, we studied as a function of the pressure, at 313 K, the enthalpy of solution and the solubility limit of carbon dioxide in two ionic liquids, using a flow calorimetric technique.

Les préoccupations environnementales actuelles visent à réduire les consommations énergétiques. Dans une démarche d’amélioration des bâtiments existants, l'étude du comportement thermique d’une paroi n'est pas aisée du fait de la méconnaissance de ses propriétés thermophysiques réelles. Ces paramètres sont pourtant prépondérants pour la phase d'optimisation économique des opérations de réhabilitation ou pour vérifier ses performances in situ. Il apparaît donc important de pouvoir caractériser les parois de bâtiment en place. Notre travail vise à développer une méthode de caractérisation thermique d’une paroi adaptée aux applications in situ basée sur une approche active. Le principe d'identification consiste à solliciter thermiquement une face d’accès en imposant un flux de chaleur sous forme d’un créneau et à étudier la réponse en température enregistrée par thermographie infrarouge sur l’autre face. A partir de signaux de flux et de températures mesurés aux limites de la paroi, les propriétés thermophysiques de la paroi seront estimées par méthode inverse. Nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux parois homogènes. Le schéma d’inversion est construit autour d’un modèle numérique décrivant la réponse de la paroi suivant la méthode des différences finies en 1D. L’identification de la conductivité thermique et de la chaleur volumique de la paroi est réalisée en optimisant le groupement de paramètres qui permet de minimiser l’écart entre la température normalisée mesurée et la température normalisée simulée. Le coefficient d’échange surfacique global est également identifié à partir du même essai. Dans ce travail, la méthode a été appliquée à une paroi homogène en carreaux de plâtre mise en place au laboratoire. Elle a une épaisseur de 6.5 cm. Cette technique a été utilisée pour les parois multicouches de bâtiments. Les résultats issus de cette procédure d’inversion ont été comparés à des valeurs de référence obtenues à partir d’une procédure classique (NF EN 12664-méthode fluxmétrique). Une bonne concordance des résultats est obtenue. Une autre partie représente les essais in situ. / Current environmental concerns are intended to reduce energy consumption. In a process of improving existing buildings, the study of the thermal behavior of a wall is not easy because of the ignorance of its real thermophysical properties. These parameters are yet to dominate the economic optimization phase of the rehabilitation or to check its performance in situ. It therefore appears important to characterize the walls of existing building. Our work aims to develop a method of thermal characterization of a wall suitable for in situ applications based on an active approach. The principle of identification is to apply a heat-face access by imposing a heat flux in the form of a pulse and to study the temperature response recorded by infrared thermography on the other side. From signal flow and temperature measured at the limits of the wall, the thermophysical properties of the wall will be estimated by inverse method. We are at present interested in homogeneous walls. The inversion scheme is built around a digital model describing the response of the wall following the finite difference method in 1D. The identification of the thermal conductivity and heat volume of the wall is achieved by optimizing the group of parameters which minimizes the normalized difference between the temperature measured and the temperature standard simulated. The overall Global exchange coefficient is also identified from the same test. In this work, the method was applied to a homogeneous wall tile plaster introduction to the laboratory. It has a thickness of 6.5 cm. This technique was used for multilayer walls of buildings. The results of this inversion procedure were compared with reference values obtained from a standard procedure (DIN EN 12664-flow meter methods). A good agreement is obtained. Another part is the in situ tests.

L’amidon, biopolymère de réserve, composant majeur des céréales et des plantes de grande culture, trouve de nombreuses applications industrielles après transformation hydrothermique. L’objectif de la thèse est d’étudier les modifications des propriétés structurales et fonctionnelles de l’amidon de maïs standard modifié par traitement physique, de type hydrothermique à l’aide de trois procédés. L’intensification des traitements, dans un contexte où le développement durable apparaît comme une priorité majeure, s’inscrit dans la large thématique de la valorisation des agro-ressources et du développement des procédés de transformation consacrés aux ressources carbonées renouvelables. La caractérisation des modifications des propriétés physicochimiques de l’amidon,générées par les traitements a été réalisée, dans l’objectif de relier les différences aux comportements thermique(transitions de phase, empesage) et rhéologique (comportement à l’écoulement et viscoélasticité) des amidons hydrotraités. Les traitements physiques appliqués aux amidons ont conduit à des modifications plus ou moins importantes de leurs structures. La maîtrise de l’utilisation de l'amidon nécessite la bonne connaissance des transitions de phase impliquées et des structures résultantes, fonction principalement de la teneur en eau et de la température. Dans cet objectif, une partie des travaux de thèse a été consacrée à la compréhension des phénomènes physiques à l’origine des transferts de matière et de chaleur dans le matériau amylacé pendant son hydrotraitement, ainsi que les équations régissant ces transferts. Un modèle phénomènologique de transfert couplé de masse et de chaleur a été développé, tenant compte des réactions biochimiques qui ont lieux simultanément dans le matériau, en présence d’eau et de chaleur. Les résultats de la modélisation numérique, à l’aide de la méthode des éléments finis, a permis de définir la répartition spatiale, des paramètres variables(température, teneur en eau,…), dont l’influence est déterminante sur la progression des réactions de fusion. / Starch, biopolymer of reserve, is the major component of cereals and of crop plants, has many industrial applications after hydrothermal processes. The objective of this work is to study the structural and function almodifications of standard maize starch by physical processes, as hydrothermal treatments (action of heat and moisture). The intensification of treatments, in a context of sustainable development, is nowadays a major challenge. This action belongs to the themes linked to the agri-resources valorisation and the development of the transformation processes devoted to the renewable carbonaceous resources. The impact of hydrothermaltreatments on starch physicochemical properties is extensively studied with the aim to connect the modificationof hydrotreated starches to their thermal (phase transitions, pasting) and rheological (flow and viscoelasticity)behaviours. The physical treatments applied to starches lead to important modifications of their structures,according to the processing conditions. The mastering of starch use requires the knowledge of implied phase transitions and resulting structures, which are mainly function of water content and temperature. In this aim, apart of this work was devoted to the comprehension of the physical phenomena responsible of the heat and mass transfer in the starch layer, during the treatment. A coupled heat and mass transfer model was developed, taking into account the biochemical reactions, which take place in the material simultaneously in presence of water and heat. Using the finite element method, the numerical simulation allowed to define the space distribution of the variable parameters (temperature, water content,…), which have a great influence on the progression of fusion reactions.

L'un des principaux domaines de recherche en chimie et en ingénierie chimique implique l'utilisation de liquides ioniques et de nanomatériaux comme alternatives à de nombreux produits chimiques et processus chimiques, comme ce dernier étant actuellement considérés comme non respectueux de l'environnement. Leur utilisation potentiel comme nouveaux fluides de transfert de chaleur et matériaux de stockage de chaleur, qui peuvent obéir à la plupart des principes de la chimie verte, nécessite l'étude expérimentale et théorique des mécanismes de transfert de chaleur dans les fluides complexes comme les ionanofluides. Le but de cette thèse était d'étudier les ionanofluides, qui consistent en la dispersion de nanomatériaux dans un liquide ionique.Le premier objectif de ce travail était de mesurer les propriétés thermophysiques des liquides ioniques et ionanofluides, à savoir la conductivité thermique, la viscosité, la densité et la capacité thermique dans une gamme de température comprise entre -10 et 150 ºC et à pression atmosphérique. Dans ce sens, les propriétés thermophysiques d'un ensemble considérable de liquides ioniques et d'ionanofluides ont été mesurées, avec un accent particulier sur la conductivité thermique des fluides. Les liquides ioniques étudiés étaient [C2mim][EtSO4], [C4mim][(CF3SO2)2N], [C2mim][N(CN)2], [C4mim][N(CN)2], [C4mpyr][N(CN)2], [C2mim][SCN], [C4mim][SCN], [C2mim][C(CN)3], [C4mim][C(CN)3], [P66614][N(CN)2], [P66614][Br] et leurs suspensions avec 0.5% et 1% w/w de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs - de l'anglais multi-walled carbon nanotubes). Les résultats obtenus montrent qu'il y a une augmentation substantielle de la conductivité thermique du fluide de base due à la suspension du nanomatériau, en considérant les deux fractions massiques. Cependant, l'amélioration varie de manière significative lorsqu'on considère différents liquides ioniques de base, avec une gamme comprise entre 2 et 30%, avec une température croissante. Ce fait rend plus difficile l'unification des informations obtenues afin d'obtenir un modèle permettant de prédire l'amélioration de la conductivité thermique. Les modèles actuellement utilisé pour calculer la conductivité thermique des nanofluides présentent des valeurs considérablement sous-estimées par rapport aux valeurs expérimentales, en partie à cause des considérations sur le rôle de l'interface solide-liquide sur le transport de la chaleur.En ce qui concerne la densité, l'impact de l'ajout de MWCNTs sur la densité du fluide de base est très faible, variant entre 0.25% et 0.5% pour 0.5% w/w et 1% w/w MWCNTs, respectivement. Cela était assez attendu et est dû à la différence considérable de densité entre les deux types de matériaux. Cependant, la viscosité était la propriété pour laquelle les valeurs les plus élevées d' augmentation ont été vérifiées, allant de 28 à 245% pour les deux fractions massiques de MWCNT. La capacité calorifique était la seule des quatre propriétés mentionnées ci-dessus à ne pas être étudiée dans ce travail en raison de problèmes techniques avec le calorimètre à utiliser. Néanmoins, la quantité de données recueillies sur les propriétés thermophysiques restantes était extensif. On pense que ce dernier contribue de manière significative à une base de données croissante des propriétés des liquides ioniques et des ionanofluides, tandis que en fournissant un aperçu de la variation des propriétés obtenues à partir de la suspension de MWCNTs dans des liquides ioniques.(...) / One of the main areas of research in chemistry and chemical engineering involves the use of ionic liquids and nanomaterials as alternatives to many chemical products and chemical processes, as the latter are currently considered to be environmentally non-friendly. Their possible use as new heat transfer fluids and heat storage materials, which can obey to most principles of green chemistry or green processing, requires the experimental and theoretical study of the heat transfer mechanisms in complex fluids, like the ionanofluids.
It was the purpose of this dissertation to study ionanofluids, which consist on the dispersion of nanomaterials in an ionic liquid.The first objective of this work was to measure thermophysical properties of ionic liquids and ionanofluids, namely thermal conductivity, viscosity, density and heat capacity in a temperature range between -10 e 150 ºC 
and at atmospherical pressure. In this sense, the thermophysical properties of a considerable set of ionic liquids and ionanofluids were measured, with particular emphasis on the thermal conductivity of the fluids. The ionic liquids studied were [C2mim][EtSO4], [C4mim][(CF3SO2)2N], [C2mim][N(CN)2], [C4mim][N(CN)2], [C4mpyr][N(CN)2], [C2mim][SCN], [C4mim][SCN], [C2mim][C(CN)3], [C4mim][C(CN)3], [P66614][N(CN)2], [P66614][Br] and their suspensions with 0.5% and 1% w/w of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The results obtained show that there is a substantial enhancement of the thermal conductivity of the base fluid due to the suspension of the nanomaterial, considering both mass fractions. However, the enhancement varies significantly when considering different base ionic liquids, with a range between 2 to 30%, with increasing temperature. This fact makes it more difficult to unify the obtained information in order to obtain a model that allows predicting the enhancement of the thermal conductivity. Current models used to calculate the thermal conductivity of nanofluids present values that are considerably underestimated when compared to the experimental ones, somewhat due to the considerations on the role of the solid-liquid interface on heat transport.Considering density, the impact from the addition of MWCNTs on the base fluid’s density is very low, ranging between 0.25% and 0.5% for 0.5% w/w and 1% w/w MWCNTs, respectively. This was fairly expected and is due to the considerable difference in density between both types of materials. However, viscosity was the property for which the highest values of enhancement were verified, ranging between 28 and 245% in both mass fractions of MWCNTs. The heat capacity was the only of the four properties mentioned above not to be studied in this work due to technical issues with the calorimeter to be used. Nevertheless, the amount of data collected on the remainder thermophysical properties was extensive. It is believed that the latter contributes meaningfully to a growing database of ionic liquids and ionanofluids’ properties, while providing insight on the variation of said properties obtained from the suspension of MWCNTs in ionic liquids.The second objective of this work consisted on the development of molecular interaction models between ionic liquids and highly conductive nanomaterials, such as carbon nanotubes and graphene sheets. These models were constructed based on quantum calculations of the interaction energy between the ions and a cluster, providing interaction potentials. Once these models were obtained, a second stage on this computational approach entailed to simulate, by Molecular Dynamics methods, the interface nanomaterial/ionic liquid, in order to understand the specific interparticle/molecular interactions and their contribution to the heat transfer. This would allow to study both structural properties, such as the ordering of the ionic fluid at the interface, and dynamic ones, such as residence times and diffusion. (...)

Le caractère fortement hydrophile des isolants thermiques bio-sourcés, a montré que les modèles classiques de transfert thermique ne sont pas suffisamment adaptés pour leur caractérisation thermique. Ce travail de thèse vise à répondre à cette problématique par des approches expérimentale et théorique des transferts couplés chaleur-humidité. Dans l’approche expérimentale, un isolant thermique en feutre de fibres de lin (FFL) a été développé puis caractérisé, dans différents états hygrométriques, au moyen d’un dispositif Plan Chaud asymétrique. Des isothermes d’adsorption de l’humidité corrélés aux modèles théoriques GAB, GDW et Park permettent une caractérisation hydrique de cet isolant. Dans l’approche théorique, un modèle physique, de transfert couplé chaleur-humidité au sein de l’isolant FFL humide, est proposé. Il est résolu numériquement, en configuration 3D transitoire, par la méthode de éléments finis sous COMSOL Multiphysics et par la méthode des différences finies, en configuration 1D transitoire, sous MATLAB. La méthode de Levenberg-Marquardt couplée avec le modèle direct 1D transitoire et les températures mesurées a permis d’estimer la conductivité thermique apparente de l'échantillon étudié avec une erreur relative inférieure à 6% par rapport aux mesures expérimentales, validant ainsi les modèles théoriques. / The conventional heat transfer models are not sufficiently suitable for thermal characterization of bio-sourced thermal insulating materials due to their strongly hydrophilic nature. The proposed work in this PhD thesis aims to answer this problem with experimental and theoretical approaches of coupled heat-moisture transfers. In the experimental approach, a thermal insulating material based on Flax Fiber Felt (FFF) is developed and then characterized at different hygrometric conditions with an asymmetric hot plate device. The humidity diffusion characterization of the samples is done using the GAB, GDW and Park theoretical moisture adsorption isotherm models. In the theoretical approach, a physical model of heat and mass transfer is proposed. It is solved numerically, in transient 3D configuration, by the finite element method under COMSOL Multiphysics and, in transient 1D configuration, by the finite difference method under MATLAB. The Levenberg-Marquardt method coupled with the 1D transient direct model and the measured temperatures made it possible to estimate the apparent thermal conductivity of the studied sample with a relative error of less than 6% compared to the experimental measurements, thus validating the theoretical models.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-17T17:30:45Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ RICARDO FERREIRA OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2648257 bytes, checksum: 5e08d81aaa5973d7c6fd8bac23c313cc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T17:30:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ RICARDO FERREIRA OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2648257 bytes, checksum: 5e08d81aaa5973d7c6fd8bac23c313cc (MD5) Previous issue date: 2017-11-30 / CNPq / A caracterização termofísica dos materiais utilizados na Engenharia é de grande importância para realização de projetos nas mais diversas áreas de conhecimento onde os fenômenos ligados aos processos de transferência de calor exercem um papel fundamental. A difusividade térmica é uma propriedade termofísica importantíssima na análise de problemas de difusão de energia térmica. Este trabalho teve como proposta a determinação desta propriedade utilizando um campo de temperatura periódico. Para isto, foi construído um dispositivo experimental com princípio de funcionamento no método de Angstrom, o qual faz uso de um fluxo de calor periódico de uma fonte controlada, gerando assim, um campo de temperatura periódico na amostra em teste. Termopares foram instalados nas amostras para captar os sinais de temperatura gerados pelo fluxo de calor periódico. A amplitude e a fase destes sinais foram obtidas por meio de um software de análise gráfica. O termopar mais próximo da fonte de calor foi adotado como referência, ao passo que a razão de amplitudes e a defasagem, entre os sinais térmicos registrados pelos demais termopares em relação ao registrado por àquele termopar , foram calculadas. Estes resultados foram utilizados em modelos matemáticos para determinar a difusividade térmica, que pode ser identificada ou atra vés da razão de amplitudes ou através da defasagem entre os perfis de temperatura. As amostras utilizadas neste trabalho foram de aço inox AISI 304, aço inox AISI 316 e de uma liga de memória de forma de níquel-titânio. Os valores de difusividade térmica identificados para estes materiais, quando foram comparados com valores disponíveis na literatura, obtiveram uma boa concordância, tendo em vista a faixa de incerteza apresentada. / Thermophysical characterization of materials used in engineering is very important for realization of projects in the most diverse areas of knowledge where the phenomena related to the process of heat transfer play an important role. Thermal diffusivity is a very important thermal property on the analysis of problems of diffusion of thermal energy. This work proposes the determination of this property using a periodic temperature field. For this, an experimental device was built with principle of operation in Angstrom’s method, which makes use of a periodic heat flow from a controlled source, thereby generating a periodic temperature field in the test sample. Thermocouples were installed on the samples for capture of signals generated by the periodic heat flow. Amplitude and phase of these signals were obtained by means of graphic analysis software. The thermocouple closest to the heat source was adopted as reference, and the ratio and phase lag, between the thermal signals registered by other thermocouples in relation to that registered by that thermocouple, were calculated. These results were utilized in mathematical models to determine the thermal diffusivity, whose identification can be performed either through the amplitude ratio or through the phase lag between the temperature profiles. Samples utilized in this work were stainless steel AISI 304, stainless steel AISI 316 and a shape memory alloy of nickel-titanium. Identified values of thermal diffusivity of these materials, when compared whit values available in literature obtained a good agreement, considering the range of uncertainty presented.