Le travail de cette thèse constitue une contribution à l'étude des capteurs solaires thermiques. Ainsi, nous cherchons à comprendre les mécanismes d'écoulement et de transfert en convection naturelle interne, en géométrie tridimensionnelle dans la lame d'air d'un capteur solaire dans le but de trouver la conception optimale qui permet un contrôle thermique adéquat et une performance énergétique.Une partie de cette thèse est donc consacrée à une simulation numérique basée sur la mise au point d'un modèle de la convection naturelle dans la lame d'air de forme parallélépipédique fermée contenant de l'air et inclinée d'un angle α. Les simulations ont été faites afin de déterminer les champs de température et de vitesse sous l'influence de la variation de l'épaisseur de la lame d'air, le flux de chaleur apporté à l'absorbeur et la présence d'obstacles dans la lame d'air. Ces simulations ont été effectuées avec et sans rayonnement dans la lame d'air. Le logiciel de calcul utilisé pour cette étude est le CFD fluent, basé sur la méthode des volumes finis Les résultats obtenus montrent l'influence de l'épaisseur de lame d'air sur le régime d'écoulement ; ce dernier peut être stationnaire stable ou instationnaire. Les valeurs du coefficient du transfert thermique ont été calculées pour tous les cas étudiés et une comparaison de l'écoulement avec et sans rayonnement a été faite. / This thesis aims to study the solar thermal collectors. Thus, we seek to understand the mechanisms of natural convective heat transfer in the air gap of a solar collector, in order to find an optimal design which allows adequate thermal control and energy performance.Part of this thesis is devoted to the numerical simulation using fluent, based on the development of natural convection model in an inclined parallelepiped air gap of solar collector. Fluent CFD software is based on the finite volume method. The simulations were carried out to determine the velocity and temperature fields under the effect of the air gap thicknesses, the heat flux provided to the absorber and the presence of obstacles in the air gap. The results show the effect of the air gap thickness on the flow regime, which can be steady or unsteady. These simulations were performed with and without the coupling of convection-radiation in the air gap. Values of the coefficient of heat transfer was calculated for different cases and a comparison for both cases with and without taking into account radiation was made. The numerical study was followed by an experimental work based on the study of solar collector. To reduce heat losses, experiments were carried out to evaluate the thermal behavior of solar collector under external conditions (sunshine, temperature...etc) and the coolant flow rate for various gap air thicknesses. The results show the effect of the air gap thickness on the thermal performance and the importance of having an optimum thickness for better performance. Similarly, the introduction of barriers also contributes to improve the performance of the solar collector.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la nanothermique, c'est à dire, l'étude des transferts de chaleur à l'échelle du nanomètre, pour lesquels la loi de Fourier n'est plus valide. A cette échelle, l'interface domine le transport thermique par sa résistance au flux d'énergie thermique. Cetterésistance se manifeste par une discontinuité de la température aux interfaces. Il est important de pouvoir la prédire afin de contrôler et aménager les flux thermiques dans les application en microélectroniques où la taille des transistors modernes devient nanomètrique. Le but de cette thèse est d'une part, d'étudier la transmission angulaire des phonons et prédire la résistance de Kapitza aux interfaces entre solides, de quantifier le transfert d'énergie assuré par les phonons au travers d'un gap de vide nanométrique, et d'autre part d'étudier le transfert thermique dans un système nanoparticule cœur-coquille immergé dans l'eau. Nous avons développé une nouvelle méthode de dynamique de réseau couplée à l'utilisation de constantes de force issus des calculs ab-initio. Cette méthode permet d'obtenir la transmission des phonons entre deux solides, en fonction de leur fréquence et vecteur d'onde, en tenant comptede la dispersion des phonons en volume dans les deux milieux. Nous avons également appliqué la méthode pour décrire le transfert thermique à travers un gap de vide entre deux solides. Enfin, nous nous sommes intéressés au transfert thermique autour d'une nanoparticule (NP) immergée dans l'eau et chauffée par un faisceau laser. Nous avons comparé l'efficacité de chauffage des NPs homogènes d'or à celles de type cœur-coquille or-silice / This thesis is devoted to the study of interfacial thermal transport at the nanoscale where Fourier’s law is not valid. This is because, at this scale, phonon mean free path becomes smaller to the characteristic length of the system, thus the heat transfer is no longer diffusive but rather ballistic. As a consequence, the thermal boundary resistance (TBR) becomes a determinant factor in heat transfer. The goal of this thesis is, firstly, to study phonon transmission and predict the thermal boundary conductance at interface between two solids. To this end, we have developed a new approach, which combines lattice dynamics calculations and inputs from ab initio, and we have applied our LD model to two types of solid structures: the face-centered cubic (FCC) crystal solid and the diamond-like crystal solid.Secondly, we aim to quantify the phononic contribution in heat transfer across a nanometric vacuum gap that separates two solids. We have used this ab initio LD model to predict the contribution of phonons in the heat transfer across a vacuum gap in two systems: the Au/vacuum-gap/Au and the Si/vacuum-gap/Si. Our results indicate that phonons do contribute significantly to heat transfer across a nanometric/subnanometric vacuum gap. Finally, we have investigated heat transfer in a system made of a core-shell nanoparticle (NP) immersed in water and heated by a laser pulse. We have used the four temperatures model, we have solved numerically the heat transfer equations in the system, taking into account the thermal boundary resistance (TBR) and the interfacial electron-phonon coupling

Cette étude porte sur le transfert thermique pariétal dans un canal plan turbulent. L'étude est théorique et numérique. Nos simulations directes (DNS) sont effectuées avec le code de calcul Incompact3d. On a porté un intérêt particulier aux grandeurs que l'on trouve dans les bilans des flux thermiques turbulents et de la variance de la température : ces données permettent de valider les modèles de type RANS. On analyse également nos simulation à l'aune de statistiques plus fines, telles que les corrélations en 2 points. On distingue 2 traitements de la thermique dans le cas du canal plan turbulent : avec ou sans prise en compte du transfert thermique conjugué (couplage thermique fluide/solide). Pour les cas avec transfert thermique conjugué, on a mis en évidence une condition de compatibilité dans l'espace spectral entre la température et le flux de chaleur à l'interface fluide-solide. En l'absence de transfert thermique conjugué, notre étude se borne aux conditions limites qui sont une combinaison linéaire à coefficients constants de la température et du flux de chaleur à la paroi (Dirichlet, Neumann, Robin). Pour ces conditions aux limites simples, on met en évidence une condition de compatibilité entre les valeurs pariétales de la variance de la température et la partie normale de la dissipation associée. D'une part, cette relation souligne les limites des simulations avec une température ou un flux imposé à la paroi. D'autre part, elle permet de construire des conditions de type Robin sur-mesure qui donnent des résultats proches de ceux obtenus avec transfert thermique conjugué pour la configuration du canal plan turbulent. / This study focuses on the turbulent heat transfer in the turbulent channel flow configuration. Our Direct Numerical Simulations are performed using the open-source code Incompact3d. As our target is to produce data for RANS models validation, the budgets of the turbulent heat fluxes and of the temperature variance are extracted. Two-point correlations for the temperature and wall-normal heat flux are also presented to deepen our analysis. Regarding the thermal field, 2 configurations are considered: with and without conjugate heat transfer (thermal coupling between the fluid and solid domains). For conjugate heat transfer cases, a novel compatiblity condition, expressed in the spectral space, connects the temperature and wall-normal heat flux at the fluid-solid interface. For non-conjugate cases, our study is limited to boundary conditions that impose a linear combination of the temperature and wall-normal heat flux at the wall using constant coefficients (Dirichlet, Neumann, Robin). For such simple boundary conditions, a novel compatibility condition is obtained which connects the wall-value of the temperature variance and the wall-normal part of the associated dissipation rate. On one hand, this condition highlights the limitations of an imposed temperature or heat-flux at the wall. On the other, it allows us to build tailored Robin boundary conditions able to reproduce satisfactorily present conjugate heat-transfer results in the channel flow configuration.

L'objet de ce travail de recherche est d'estimer le rôle des structures tourbillonnaires pour améliorer l'efficacité des refroidisseurs microfluidiques. Cette problématique a été étudiée en deux parties. L'objectif de la première partie est de quantifier les transferts thermiques engendrés par des tourbillons lors de leur interaction avec une paroi chaude. Ceci a été réalisé numériquement en deux étapes. La première étape a pour vocation d'améliorer la compréhension des processus de transferts thermiques d'un tourbillon transporté dans un écoulement laminaire. Deux processus majeurs ont été mis en avant : l'advection des particules froides vers la paroi chaude et le mélange par advection.Suite à ces observations, les transferts thermiques induis par une structure tourbillonnaire ont été optimisés en fonction de ses caractéristiques initiales. Cette optimisation a permis d'augmenter l'efficacité d'un système de refroidissement microfluidique de plus de 50% dans le cas d'une allée tourbillonnaire.La seconde partie couple une étude expérimentale à un modèle numérique. Cette étude se focalise sur le formation des structures tourbillonnaires à l'échelle micrométrique. Les structures tourbillonnaires sont générées par le couplage d'un micro jet synthétique à un écoulement transverse. Dans cette configuration, plusieurs topologies de structures tourbillonnaires ont été observées en fonction du nombre de Reynolds du jet et de l'écoulement. Ces différentes topologies ont été cartographiées en fonction des nombres de Reynolds du système. Finalement, pour une certaine topologie de tourbillon il a été possible de lier leurs caractéristiques aux paramètres de contrôle du système. Grâce à cette relation, il est possible de contrôler le type de structures formées par le système de refroidissement / The purpose of this research paper is to determine the role of vortical structures in the improvement of microfluidic cooling systems’ efficiency.This study is presented in two parts. The aim of the first part is to measure heat transfers produced by vortices while interacting with a hot wall. This part was carried out numerically following two steps. The aim of the first step was to improve the understanding of the processes involved during heat transfers in a vortex convected in a laminar flow. As a result, two major processes can be highlighted : the advection of cold particles to the hot wall and an advective mixing. Following these observations, heat transfers produced by a vortical structure were optimized in accordance with its initial characteristics. Consequently, the optimization of heat transfers increased microfluidic cooling systems’ efficiency by more than 50% in the case of vortex streets.The second part combines an experimental study with a numerical model. This study focuses on the creation of vortical structures on a microscopic scale. For this purpose, vortical structures are produced by combination of a synthetic micro jet with a crossflow. The outcome is that several topologies of vortical structures can be observed depending on the Reynolds number of the jet and the crossflow. These topologies can be mapped according to the Reynolds numbers of the system. As a result, a connection can be made between characteristics of some topologies of vortices and control parameters of the system. As a conclusion, the type of structures produced by the cooling system can be controlled

Lors de cette thèse nous avons étudié le phénomène de convection thermique turbulente. La compréhension des mécanismes du flux thermique induit est encore un défi. Dans cette optique, deux approches innovantes ont été utilisées. La première a consisté en une approche Lagrangienne. Dans un premier temps, nous avons immergé une particule instrumentée munie de capteurs de température. Sa vitesse a été mesurée simultanément afin de calculer le flux thermique local transporté. En comparant les mesures effectuées à des simulations numériques et à des mesures Eulériennes, la pertinence de cette méthode a été révélée. Nous avons ensuite ensemencé l'écoulement avec des particules de diamètre inférieur à l'échelle dissipative du système. Nous avons alors pu effectuer les suivre en 3D et nous intéresser aux statistiques turbulentes, ainsi qu'à la dispersion de paires. Nous avons ensuite étudié une configuration où la plaque du bas comporte des rugosités contrôlées. Il est reconnu que cela amène une augmentation du transfert thermique supérieure à celle reliée à l'augmentation de surface. Nous avons mis en évidence des mécanismes possibles qui expliquent ce phénomène. Des mesures thermométriques dans une cellule remplie d'eau ainsi que des mesures vélocimétriques dans une cellule six fois plus grande remplie d'air ont permis d'observer un changement radical de la structure des couches limites au voisinage des rugosités, notamment l'apparition d'une couche limite turbulente. Ces mesures ont été accompagnées de mesures de vitesse de l'écoulement global qui ont révélé une augmentation drastique des fluctuations de vitesse ainsi que l'apparition d'un nouveau régime de turbulence. / In this work, turbulent thermal convection is studied. Undestanding the mechanisms of induced thermal flux is still a challenge. In this context we used two innovative approaches.The first one consists in a Lagrangian approach. An instrumented particle, designed for temperature measurements, is immersed in the flow. The simultaneous measurement of the temperature view from the particle and its velocity allowsto obtain local Lagrangian heat flux. By comparing these measurements with numerical simulation and Eulerian investigations we can assert the relevance of this method. Then we seeded the flow with particles whose diameter is smaller than the dissipative scale of the system. We performed 3D tracking to access to turbulent statistics and pair dipersion.On the other hand we study a configuration with controlled roughness on the bottom plate. It is well-known that it leads to thermal flux enhancement higher than the one linked to the surface increasing. We bring out possible mechanisms to explain this phenomenon. Thermometric measurements in water-filled cell and anemometric measurements in a six-time larger air-filled cell point out a dramatic change of the boundary layers structure close to roughness. Particularly a turbulent viscous boundary layer appears. Theses investigations are supplemented by velocity measurements of the global flow and reveal a large increase of velocity fluctuations and the appearance of a new turbulence regime.

Le fromage, comme tout produit frais, doit être conservé à basse température tout au long de la chaîne du froid. Une particularité des fromages à pâte molle (camembert, par exemple) est qu’ils dégagent un flux de chaleur important à cause de la respiration des microorganismes qui y sont présent. D’un point de vue thermique, suffisamment d’air froid doit entrer dans une palette de fromage pour évacuer la chaleur dégagée afin de maintenir une température stable dans le système. D’un point de vu aéraulique, l’échauffement du produit induit de la convection naturelle à l’intérieur de la palette. Plusieurs modes de convection sont donc présents : la convection forcée imposée par les ventilateurs de la chambre froide autour de la palette et la convection mixte, combinaison de convections forcée et naturelle, à l’intérieur de la palette. Ceci augmente par conséquent la complexité de l’écoulement d’air. Le régime de convection mixte apparait surtout à faible vitesse de ventilation ce qui est souvent le cas lors du stockage en chambre froide. De plus, le système est influencé par un grand nombre de paramètres : l’orientation de la palette, l’ajourage des cartons, la vitesse de soufflage, la puissance de chauffage…L’objectif de la thèse est d'apporter de nouvelles connaissances sur les écoulements d'air et les transferts thermiques au sein d'empilements de produits dégageant de la chaleur et faiblement ventilés. Ces connaissances visent également à répondre à des problématiques industrielles. Les acquis du projet doivent contribuer à améliorer la conception aéraulique des emballages et des modes de palettisation du fromage, qui à ce jour est réalisée de manière empirique. Il convient également de noter que la problématique scientifique abordée dans ce projet (interactions aérodynamiques et thermiques entre convection forcée et naturelle autour et au sein d'empilements d’objets) présente des applications dans d’autres domaines tels que le refroidissement des circuits électroniques.La thèse se compose de deux parties principales : Une étude expérimentale et une étape de modélisation. Dans l’approche expérimentale, une maquette de palette à l’échelle 1 a été conçue dans laquelle les produits ont été remplacés par des blocs de plâtre munis de résistances chauffantes afin de simuler le flux de chaleur dégagé par le produit. Les expérimentations ont été réalisées dans une cellule à température et vitesse d’air maitrisées pour deux vitesses amont : 0.31 et 0.73 m.s-1, trois puissances de chauffage : 0.05 W, 0.15 W et 0.30 W par produit (0.25kg) et deux orientations de la palette. L’utilisation d’un vélocimètre laser par effet Doppler (LDV) et d’un anémomètre à fil chaud ont permis de caractériser les écoulements (profils de vitesses, débit d’air dans les orifices) selon la vitesse amont et la puissance de chauffage. L’implantation de 200 thermocouples répartis dans l’ensemble du montage expérimental a par ailleurs permis d’obtenir les profils de température de l’air et des produits au sein de la palette selon ces mêmes paramètres.La partie modélisation a été réalisée selon deux approches: une simulation détaillée par mécanique des fluides numériques (CFD) avec un maillage de plusieurs millions de cellules et un modèle zonal (une vingtaine de zones) assimilant le système à un réseau hydraulique. Les deux modèles ont été validés grâce aux données expérimentales. L’approche CFD a permis d’obtenir des informations non accessibles à partir des mesures expérimentales ce qui a facilité la compréhension des phénomènes. L’approche zonale, de par sa simplicité d’utilisation et son faible temps de calcul est quant à elle plus adaptée pour une utilisation industrielle. / Cheese, like any fresh product, must be kept at a low temperature throughout the cold chain. A particularity of soft cheeses (Camembert, for example) is that they generate a significant amount of heat due to the respiration of the microorganisms. From a thermal point of view, cold air must flow within a cheese pallet to remove the heat released in order to achieve better production temperature control. From an airflow point of view, heat generated by the product induces natural convection inside the pallet. Several convection modes are therefore present: the forced convection imposed by the fans of the cold room around the pallet and the mixed convection, combination of forced and natural convection, inside the pallet. This therefore increases the complexity of the airflow. The mixed convection regime appears mainly at low fan speed which is often the case during storage. In addition, the system is influenced by many parameters: the orientation of the pallet, the opening area of the cartons, the blowing speed, the heat flux...The aim of the PhD is to provide inner knowledge on air flows and heat transfer within pallets of heat-generating products with low ventilation. This knowledge also aims to answer industrial problems. The PhD’s results should contribute to improve the design of vented cheese packaging and palletizing methods, which is currently done empirically. It should also be noted that the scientific topic addressed in this project related to aerodynamic and thermal interactions between forced and natural convection around and within the pallet has applications in other areas such as the cooling of electronic circuits.The PhD consists of two main parts: an experimental and a numerical study. In the experimental approach, a full scale pallet was built in which the products were replaced by plaster blocks inserted with heating resistance to simulate the heat flow generated by cheese. The experiments were carried out in a controlled temperature and air velocity room for two air inflow velocities: 0.31 and 0.73 m.s-1, three heat fluxes: 0.05 W, 0.15 W and 0.30 W per product (0.25 kg) and two orientations of the palette. The use of a laser Doppler velocimetry (LDV) and a hot-wire anemometer allowed characterizing airflows (velocity profiles, air flow rate in the vent holes) according to the air inflow velocity and the heat flux. The implementation of 200 thermocouples distributed throughout the experimental set-up also made it possible to obtain the temperature levels of the air and the products within the pallet according to these same parameters.The numerical study was performed by two approaches: a detailed model by computational fluid dynamics (CFD) with several millions of elements and a zonal model (about twenty zones) assimilating the system to a hydraulic network. Both models were validated using experimental data. The CFD gave complement information which is not accessible by the experimental measurements, which facilitated the understanding of the phenomena. The zonal approach, by its simplicity of use and its low computing time is more suitable for an industrial use.

L'interaction fluide structure est présente dans beaucoup de problèmes industriels, dans les domaines d'ingénierie mécanique, civile ou biomécanique. Même si les performances informatiques s'améliorent considérablement et que les méthodes en mécanique numérique gagnent en maturité, certaines difficultés ne permettent pas encore de réaliser des simulations numériques précises. Actuellement deux méthodes numériques gagnent en popularité pour la simulation numérique d'interactions fluide structure: la méthode de partitionnement et la méthode monolithique. Des résultats de la littérature montrent que la première est efficace et précise mais qu'elle peut rencontrer des problèmes d'instabilité si les ratios de densité sont élevés ou que les géométries sont complexes. Les méthodes d'immersion sont de plus en plus utilisées par la communauté scientifique. Différentes approches ont été développées, dont la Méthode d'Immersion de Volume. Cette méthode permet de faciliter la mise en place des calculs. Ainsi il n'est pas nécessaire de construire des maillages concordant avec la géométrie des objets, et le couplage entre les fluides et les solides se fait naturellement. C'est sur cette analyse qu'a été développé le logiciel Thost. Il permet de simuler des procédés industriels tels que le chauffage de pièces métalliques dans les fours industriels ou la trempe sans caractériser expérimentalement des coefficients de transfert. Le but d'un tel logiciel est de permettre une meilleure compréhension des procédés et ainsi de les optimiser. Cependant les coûts de calcul restant élevés, le but de la thèse est de les diminuer en s'appuyant sur des méthodes numériques innovantes tels que l'adaptation dynamique de maillage anisotrope, des méthodes éléments finis stabilisées ou l'immersion directe des objets à partir de la Conception Assistée par Ordinateur. / Fluid-Structure Interaction (FSI) describes a wide variety of industrial problems arising in mechanical engineering, civil engineering and biomechanics. In spite of the available computer performance and the actual maturity of computational fluid dynamics and computational structural dynamics, several key issues still prevent accurate FSI simulations.Two main approaches for the simulation of FSI problems are still gaining attention lately: partitioned and monolithic approaches. Results in the literature show that the partitioned approach is accurate and efficient but some instabilities may occur depending on the ratio of the densities and the complexity of the geometry. Monolithic methods are still of interest due to their capability to treat the interaction of the fluid and the structure using a unified formulation. In fact it makes the build up of a FSI problem easier as the mesh do not have to fit the geometry of the solids and the transfers are treated naturally.The software Thost has been created based on these analyzes. Thost is a 3D aerothermal numerical software. It has been developped for the numerical simulation of industrial processes like the heating in industrial furnaces as well as quenching. Its target is to model numericaly the thermal history of the industrial pieces in their environment without using any transfer coefficient. However the computational costs are still high and therefore the software is not fully efficient from an industrial point of view to simulate, analize and improve complex processes. All the work in this PhD thesis has been done to reduce the computational costs and optimize the accuracy of the simulations in Thost based on innovatives numerical methods such as dynamic anisotropic mesh adaptation, stabilized finite elements methods and immersing the objects directly from their Computer Aided Design files.

Parmi les torches à plasma microonde, la torche à injection axiale (TIA) est utilisée depuis de nombreuses années pour créer des espèces chimiquement actives dans des applications comme l'analyse de gaz, les traitements de surface et les traitements d'effluents gazeux. Notre étude porte sur l'énergie transférée par le plasma créé par cette torche à pression atmosphérique, qui trouve son intérêt notamment dans le chauffage de l'hélium pour la montée en altitude d'un ballon dirigeable. La TIA permet de coupler de l'énergie microonde (2.45 GHz) à un gaz injecté axialement à la sortie d'une buse. La TIA donne lieu à un plasma hors équilibre thermodynamique formé d'un dard de forte luminosité, avec une densité maximale de particules chargées à la sortie de la buse. Notre étude porte sur l'expérience et la modélisation de cette torche pour comprendre la répartition du champ électromagnétique, l'écoulement du système gaz/plasma et le transfert de chaleur du plasma au gaz.Des mesures par spectroscopie optique d'émission dans l'argon et l'hélium ont permis de trouver les températures du gaz (1500 K vs 3000 K) en fonction des conditions expérimentales (débit, puissance). Elles ont été estimées en ajustant les spectres ro-vibrationnels de N2 obtenus à ceux issus du logiciel SPECAIR. La mesure de la densité électronique (de l'ordre de quelques 10^14 cm^-3) a été réalisée dans un plasma d'hélium par élargissement Stark de la raie Hβ. Ces mesures ont un double objectif : obtenir des données d'entrée au modèle et valider ses résultats.La modélisation se partage en deux modules réalisés avec le logiciel COMSOL Multiphysics: (i) un module électromagnétique 3D qui résout les équations de Maxwell, (ii) un module hydrodynamique 2D qui résout les équations de Navier-Stokes pour le système gaz/plasma en prenant en compte les ions. Un module plasma, en cours de développement, résoudra les équations fluides pour les électrons et les ions du plasma.Cette modélisation réussit à prédire des températures similaires à celles obtenues expérimentalement et a permis de montrer l'influence du plasma sur l'écoulement et la température du gaz ainsi que l'efficacité du transfert de chaleur du plasma au gaz. / Among the microwave plasma torches, the axial injection torch (TIA) has been used for several years to create chemically active species, in applications such as gas analysis, surface processing and gaseous waste treatments. Our study concerns the energy transferred from the plasma created by the torch at atmospheric pressure, which finds its interest in particular in the heating of helium in a dirigible balloon to achieve its rise in altitude. The TIA allows the coupling of microwave energy (2.45 GHz) with a gas injected axially at the nozzle's exit. The TIA produces a non equilibrium plasma with a high luminosity and a maximum density of charged particles at the nozzle's exit. Our study involves both experiment and modelling of this torch in order to understand the distribution of the electromagnetic field, the flow of gas / plasma system and the plasma-to-gas heat transfer.Measurements by optical emission spectroscopy in argon and helium allowed to determine the gas temperature (1500K vs 3000 K) based on experimental conditions (flow, power). They were estimated by fitting the N2 ro-vibrational spectra obtained from air, using the SPECAIR software. The measurement of electron density (of about a few 10^14 cm^-3) was performed in a helium plasma by Stark broadening of the Hβ. Experiments have a double objective : to obtain input data for the model and to validate its results. Modelling uses two modules of the COMSOL Multiphysics software: (i) a 3D electromagnetic module, which solves Maxwell's equations, (ii) a 2D hydrodynamic module, which solves the Navier-Stokes equations for the gas / plasma system taking into account the ions. A plasma module, which solves the fluid equations for electrons and ions is in development This modelling succeeded in predicting temperatures similar to those obtained experimentally and showed the influence of plasma upon flow and the gas temperature and the efficiency of heat transfer from the plasma to the gas.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis. / This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.

Le développement d’aéronefs « plus » voire « tout » électriques a pour conséquence la conception d’architectures électriques embarquées de plus en plus complexes entraînant une très nette augmentation du nombre de câbles électriques à déployer au sein des véhicules. Parmi les contraintes rencontrées lors des phases de définition et d’intégration des réseaux de câblages, les aspects de compatibilité électromagnétique et de gestion des échauffements thermiques deviennent de plus en plus critiques. Ainsi, ces travaux de thèse sont dédiés au développement d’une méthodologie permettant la prédiction d’une part, des courants induits par et sur les réseaux de câblages et d’autre part, de leur niveaux d’échauffement. En particulier, l’analyse bibliographique effectuée à cette occasion montre que les phénomènes électrostatiques (à la base de la théorie des lignes de transmission) et de conduction stationnaire de la chaleur sont strictement analogues, ce qui autorise une résolution simultanée de ces deux problèmes pour les réseaux de câblages considérés. Les présents travaux démontrent que le calcul des paramètres électriques primaires (p.u.l) du réseau et de la distribution de température dans le plan transverse peut se faire de manière totalement couplé à l’aide d’un schéma numérique basé sur la Méthode des Moments(MoM). Le choix de l’utilisation des équations intégrales pour la résolution de ce problème de potentiel se fonde sur plusieurs avantages tels qu’une utilisation optimisée des ressources de calcul et l’utilisation d’algorithmes efficaces de résolution, de surcroît naturellement parallélisables pour de futurs développements. Les outils de calculs thermiques développés dans le cadre de cette thèse, et qui ont vocation à être intégrés dans la suite logicielle CRIPTE de l’ONERA, ont fait l’objet d’une validation expérimentale pour plusieurs configurations de harnais électriques. Les comparaisons simulations-mesures présentent de bons accords bien que les expérimentations menées aient montré la difficulté d’obtenir précisément des valeurs du coefficient d’échange thermique,même dans des conditions parfaitement maîtrisées. Les travaux ouvrent enfin des perspectives nouvelles sur l’optimisation en terme de masse des réseaux de câblage (EWIS). / The on-going development of “more” or “all” electrical aircraft leads to the design of ever-complex embeddedelectrical networks, which causes a significant increase of electrical cables to be used within these innovativevehicles. Among the constraints encountered during the definition and integration phases of the network, thoserelated to the electromagnetic compatibility between equipment as well as the management of thermal heatingby Joule’s effect become more and more stringent. Thus, this thesis is dedicated to the development of anoriginal methodology enabling the prediction of both induced and crosstalk currents as well as the heating upstate in complex bundles of cables. Indeed, literature review explicitly shows that electrostatic and stationaryheat transfer phenomena are, from a mathematical standpoint, strictly the same which allows the simultaneouscomputation of these two problems for an arbitrary network. This research work demonstrates that the determinationof primary electrical parameters (per unit length) and the temperature distribution within a givencross-section can be handled with the numerical Method Of Moment (MoM). This choice is motivated by theseveral inherent advantages of the method like an optimized use of the computer resource and the naturalparallelization of the algorithms. The developed numerical tools, intended to be fully integrated in the in-housesoftware suite CRIPTE, has been validated during an experimental campaign that has involved several typesof bundles. Although the comparisons between experimental and simulated results comply with each other,experiments reveal the hard task of getting a precise estimation of the heat transfer coefficients, even in awell-controlled environment. Finally, these works open new and very promising perspectives for future EWIS(Electrical Wiring Interconnection System) in term of mass optimization.