La problématique associée à ce travail de thèse concerne la détermination des causes de fatigue thermique dans des conduites hydrauliques. Ce travail porte plus particulièrement sur l’étude d’une zone de mélange orthogonale dans laquelle débouchent deux écoulements à différentes températures et présentant des régimes dynamiques turbulents. Ce type de configuration est utilisé afin de favoriser la baisse de température de l’écoulement (ou l’augmentation de température selon les cas). Pour des valeurs élevées du nombre de Reynolds et des écarts de températures des écoulements en confluence, la charge thermique engendrée par les fluctuations pariétales de température peut entraîner la formation de fissures dans les canalisations.Pour faire face à ce problème, les méthodes de dimensionnement des conduites hydrauliques mettent en évidence la nécessité de connaître la charge thermique imposée sur la paroi sensible. Le besoin attendu en termes de caractérisation dynamique et thermique de ces écoulements est à l’origine de ce projet de recherche qui s’attache ainsi à déterminer pour une configuration industrielle simplifiée, les phénomènes dynamiques et thermiques instationnaires et tridimensionnels à proximité de la paroi. Pour cela, l’étude s’organise en deux phases. Une approche expérimentale, faisant appel à la vélocimétrie par images de particules et la thermographie infrarouge, est mise en oeuvre dans un écoulement turbulent à la jonction entre une conduite de section rectangulaire et un piquage cylindrique. L’étude expérimentale permet de mesurer l’effet de différents paramètres de l’écoulement (régime dynamique, rapport des vitesses de l’écoulement, écart de température). Une des configurations expérimentales est de plus modélisée par simulations des grandes échelles dans laquelle le transfert thermique conjugué entre le fluide et la paroi d’intérêt est pris en compte. Les champs statistiques de vitesse et température issus du calcul numérique sont comparés à la base de données expérimentale. L’analyse des mécanismes thermodynamiques près de la paroi et dans la paroi, est de plus réalisée au moyen des grandeurs statistiques de l’écoulement, des corrélations de vitesse-température et de l’enregistrement temporel de sondes numériques placées dans l’écoulement et dans la paroi. / This research work originates from thermal stress issues in hydraulic pipes. It specifically focuses on determination of thermal load created by mixing flows in orthogonal pipe junctions. Such mixing zones are commonly used to cool or heat the main flow. For high Reynolds number values and high difference of temperature of the two flows, thermal load created by strong temperature fluctuations at the wall can initiate and propagate cracks through the pipe. Standards in pipe design pointed out the need in knowing these thermal loads applied at the downstream junction wall. Thus, this study aims to characterize three-dimensional and unsteady dynamical and thermal phenomena in a simplified industrial configuration. First, an experimental investigation based on particle image velocimetry and infrared thermography has been carried out on a cylindrical jet pipe flowing through a main rectangular channel flow. Different parameters have been studied such as Reynolds number influence, velocity ratio between secondary and main flow and temperature difference. One of the experimental configurations has also been investigated using numerical simulations. LargeEddy Simulations with conjugate heat transfer model has been developed and compared to the experimental database. Dynamics and Thermal mechanisms have been analysed near the wall and within the wall with obtained statistical flow fields, velocity-temperature moments and numerical probes extracted from fluid and solid parts.

Le stockage d’énergie joue un rôle très important dans le secteur énergétique. Concernant le stockage thermique, il est indispensable pour le fonctionnement en continue des centrales solaires à concentration (CSP) ou pour la récupération des chaleurs perdues dans des installations industrielles. Il y a de nos jours un besoin urgent de nouveaux matériaux performants pour remplacer les matériaux conventionnels à base de nitrate pour un fonctionnement à haute température. La présente thèse porte sur le développement de nouveaux matériaux à base de phosphates pour le stockage de la chaleur sensible. C’est la première étude sur l’utilisation des phosphates dans le stockage de la chaleur. Deux approches ont été explorées : le développement des matériaux liquides et des matériaux céramiques monolithiques. Dans la partie des matériaux liquides, l’objectif est de développer des phosphates ayant le même principe de fonctionnement que les sels fondus. Un grand nombre de phosphates a été étudié et les premiers critères d’évaluation sont les températures de fusion, d’évaporation ou de décomposition et la stabilité thermique. Le ternaire M(PO)3 (M = Li, Na, K avec 33,3% molaire de chaque alkali) peut fonctionner à l’état liquide entre 390 et 850°C alors que l’acide polyphosphorique peut fonctionner jusqu’à 200°C (température de solidification restant à déterminer). Concernant les matériaux céramiques, l’étude sur les monolithes de phosphates purs montre des difficultés lors de la mise en forme et la médiocre performance mécanique de ces matériaux. Le travail s’est ensuite focalisé sur les mélanges argileux-sable/phosphates. L’ajout de phosphates est indispensable pour améliorer les propriétés thermiques et mécaniques des céramiques traditionnelles de terre cuite. L’influence de la température de cuisson, la nature des phosphates et la granulométrie des phosphates a été étudié. Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques, thermophysiques, thermomécaniques et la stabilité thermique de ces céramiques ont été étudiées entre 30 et 1000°C. Les résultats obtenus ont montré la bonne compétitivité des céramiques à base du mélange argileux-sable/phosphates par rapport aux autres matériaux de stockage thermique solides tels que le béton, les roches naturelles...Le potentiel d’application de ces céramiques a été démontré par des tests de stockage de type thermocline à l’échelle pilote utilisant les meilleurs matériaux monolithiques et de l’air comme fluide caloporteur. Différents paramètres comme la température d’entrée (350 à 850°C) et le débit du fluide caloporteur ont été étudiés pour les deux phases de charge et de décharge. En parallèle, un modèle 1D a été développé avec COMSOL-multiphysics pour simuler des étapes de charges et de décharges. Le modèle décrit les échanges de chaleur entre le solide, l'air et la paroi et tient compte de tous les paramètres liés au stockage thermocline. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les données expérimentales obtenues lors des tests à l'échelle pilote. Ce travail a montré de forts intérêts des matériaux à base de phosphates pour le stockage thermique à des différentes gammes de températures couvrant toutes les technologies CSP et la chaleur fatale industrielle. / Energy storage plays a very important role in the energy sector. Concerning the thermal energy storage (TES), it is indispensable for the continuous operation of concentrated solar power plants (CSP) as well as for the recovery of waste heat from industrial facilities. However, there is currently an urgency to develop new TES materials in order to support nitrate-based molten salts, which are up-to-date the only commercial TES materials. This work aimed to develop new phosphate-based materials for sensible heat storage. This is the first study on the use of phosphates as heat storage material. Both liquid and solid phosphate-based materials were developed and their properties and performances in TES were investigated. For liquid materials, the goal is to design phosphates which have the similar operation principle to nitrate-molten salts. This means they are under liquid state when working as TES materials. Different alkali polyphosphates (M(PO)3, M = Li, Na, K) were studied and the first assessment criteria was the melting point, boiling point and thermal stability. Two potential materials were identified. The first one was the ternary mixture of alkali polyphosphates ( Li33.3 Na33.3 K33.3(PO)3 ) which exists under liquid form between 390 and 850°C. The second one was polyphophoric acid ( HPO3.n H2O ) which exist in liquid form up to 200°C. Its melting point will be determined. For solid phosphate-based materials, the utilization of a selected synthetic phosphate or raw phosphate ore without any additive met a major difficulty of shaping step, and the products obtained exhibited poor mechanical performances. The work is then focused on ternary mixtures of clay-sand/phosphates. With this concept, phosphates played the role of additives to improve the properties of traditional fired clay ceramics for TES purposes. Thus, a parametric study was carried out for different clay-sand/phosphate mixtures. The influence of the firing temperature, the nature of phosphates and the granulometry of phosphates were investigated. The physical, thermal, mechanical, thermophysical, and thermomechanical properties and the thermal stability were studied between 30 and 1000°C. The best product was made of 76.24 wt.% clay, 19.06 wt.% sand and 4.7 wt.% hydroxyapatite - a synthetic phosphate and 80 wt.% clay, 15 wt.% sand and 5 wt.% raw phosphate ore. They were competitive versus other solid TES materials such as concrete, natural rocks etc. The potential application of these ceramics was experimentally demonstrated by using a pilot-scale TES system with air as heat transfer fluid. Both charging and discharging phases were successfully repeated several times with various inlet air temperatures (from 350 to 850°C) and air flow rates. Finally, a dynamic 1D model was developed using Comsol Multiphysics software to simulate the charging and discharging phases of the pilot-scale TES tests. This model took into account the role of air, solid ceramic and reservoir wall and integrated all the parameters that impacted the temperature profile in the storage tank. The simulation results matched well with experimental data.

Compte tenu de l'importance de maintenir une qualité optimale des cordons de soudure et l'impossibilité d'assurer tout risque de manque de pénétration et de fusion par des contrôles non-destructifs, cette thèse permettra de développer une expertise et des outils numériques pour la simulation numérique tridimensionnelle des procédés de soudage par fusion afin de prédire la géométrie finale du cordon. Pour ce faire, on implémente une méthode de suivi d'interface afin d'améliorer la prise en compte des phénomènes thermophysiques au niveau des surfaces libres déformables. Cela permettra en outre de prendre en compte les forces agissant à la surface du bain métallique telles que la tension de surface, la gravité et la pression d'arc. Puis, il est envisagé d'améliorer l'estimation du transfert thermique entre l'arc et les pièces à assembler via un couplage instationnaire des modèles de plasma et de bain de fusion pour ainsi simuler de façon optimale la forme finale du cordon de soudure. Cette thèse permettra de traiter certaines applications industrielles spécifiques à EDF, en particulier les soudures d'étanchéité de faible épaisseur, permettant des études approfondies sur les opérations de réparations par soudage en corniche. / In order to ensure total safety during maintenance operations within nuclear power plants, it is mandatory to preserve the optimal quality of the internal weld beads. To this end, we use Computational Magnetohydrodynamics to simulate adjacent phenomena within the plasma and the weld pool in order to improve the knowledge of welding operating process. One of the difficulties is to take into account the effects induced by the thermal gradient and the variations of surfactant element concentrations on the weld pool surface known as the Marangoni effect. In order to take into account all the physical phenomena at the plasma / weld pool interface, we use an interface tracking method (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) to improve the simulation of weld pool with free surfaces. Subsequently, it enables to capture more precisely the interfacial forces such as the Marangoni effect, the arc pressure and the gravity, and improve vertical welding simulation. Thus, this work is part of the development of a tridimensional unsteady two-way coupling in order to overcome the Gaussian boundary condition used to model the heat transfer from plasma torch towards the work piece surface. Ultimately, we could obtain an unified model for an optimal welding process simulation.

Les travaux s’inscrivent dans le cadre de la protection contre la propagation d’incendie. On distingue les protections actives,regroupant l’ensemble des actions allant de la détection d’un incendie à l’intervention des secours, des protections passivesparties intégrantes de la structure des bâtiments. Ces protections peuvent être appliquées directement sur les structures à protéger par projection, ou venir les recouvrir au moyen de panneaux plus ou moins épais assemblés. L’assemblage de panneaux permet également de former des conduits de ventilation ou de désenfumage. Les travaux entrepris portent sur la caractérisation du comportement de matériaux minéraux dédiés à la construction sous chargement thermique sévère. Le cas de liants hydratés homogènes fortement perméables est particulièrement étudié et les matériaux à base de sulfate de calcium en est l’illustration. En effet, la faible conductivité thermique et la capacité de chaleur latente du plâtre représentent des critères importantspour limiter dans le temps les transferts thermiques. Cependant, son utilisation est limitée par ses faibles propriétésmécaniques. Afin d’identifier et de comprendre les différents mécanismes entrant en jeu lors d’une élévation de température de type incendie, une caractérisation multi-échelle a été développée sur des matériaux à base de gypse. Les travaux sont réalisés avec un plâtre pris fabriqué à partir d’un hémihydrate β naturel gâché à l’eau. A la micro-échelle, la composition du produit de base et ses propriétés thermiques ont été étudiées. Une attention particulière a été portée à lidentification des cinétiques de changements de phases. A la méso-échelle, une caractérisation mécanique et structurale est réalisée à température ambiante. Des essais thermogravimétriques sont également développés : (i) sur des échantillons cylindriques en condition isotherme, ce qui permet d’y associer une analyse dilatométrique et une caractérisation après refroidissement des résistances mécaniques et de la porosité ; (ii) sur des échantillons sphériques, à rampe de chauffe imposée, pour étudier les cinétiques de transferts pour une chauffe isotrope. Le rôle de la micro-échelle est mis en avant pour chaque configuration.A la macro-échelle, nous travaillons avec des panneaux plans dont une des faces est sollicitée thermiquement par élévationde température normalisée : ISO 834. La configuration d’étudeest horizontale. Une caractérisation du comportementthermique, hydrique, chimique, structurale et mécanique est alors mise en oeuvre. L’analyse du comportement espacetempspermet de distinguer l’influence de la température dansl’avancement de la déshydratation mais également le rôle desvitesses de chauffe et de la micro-échelle. Ces travaux se terminent par la caractérisation multi-échelle de mélanges plâtre-fumée de silice. Ces formulations permettent notamment d’améliorer la tenue du matériau à haute température et ainsi de prolonger la durée de protection / The presented works is part of the study of protection against fire propagation. Two kinds of protections are distinguished : active protection, from detection to help the interventions of the firemen and passive protection. Passive protection is directly linked to the building structure. This protection can be directly applied to the structures to protect by projection or can be used under panel-forms to recover them. The layout of those panels can constitute ventilation ducts and smoke extraction ducts. Present research works focuses on the characterisation of the behaviour of mineral materials dedicated to the construction under severe thermal load. Homogeneous hydrated and highly permeable binders are particularly studied like material based on calcium sulphate. Indeed, the low thermal conductivity and the capacity of latent heat of the plaster are important criteria to delay the thermal transfers. However, its use is limited due to its low mechanical properties. To identify and understand mechanisms involved during a fire event, a multi-scale characterisation is developed with the use of gypsum-based materials. Works have been undertaken with gypsum, prepared from a natural β-hemihydrate mixed with water. At micro-scale, the composition of raw material and its thermal properties are studied. A particular attention was carried out the identification of the kinetics of phases transitions. At meso-scale, mechanical and structural characterisations are carried out at room temperature. Thermo-gravimetric tests are also developed: i) on cylindrical samples under isothermal condition. Shrinkage properties are analysed and, after cooling, a characterisation of the mechanical resistances and the porosity are carried out; ii) on spherical samples, with imposed heating rate, to study the transfer kinetics under isotropic temperature increase. The contribution of micro-scale is highlighted for each configuration. At macro-scale, investigations are done with plasterboard from which one face is exposed to a normalized temperature rise (ISO 834). The retained configuration is horizontal. The behaviour is described by a combined study of thermal, hydric, chemical, structural and mechanical properties. The space-time behaviour analysis allows distinguishing the influence of the temperature on the dehydration progress but also the influence of the heating rate and the micro-scale. The last part is dedicated to a multi-scale characterisation of plaster and silica fume mixtures. Those formulations allow in particular to improve the fire behaviour of the material and so to extend the duration of protection

Le procédé de craquage thermique est un procédé industriel sensible aux conditions de température et de pression. L’utilisation de réacteurs aux parois nervurées est une méthode permettant d’améliorer la sélectivité chimique du procédé en augmentant considérablement les transferts de chaleur. Cependant, cette méthode induit une augmentation des pertes de charge dans le réacteur, ce qui est dommageable pour le rendement chimique et doit être quantifié. En raison de la complexité de l’écoulement turbulent et de la cinétique chimique, le gain réel offert par ces géométries en termes de sélectivité chimique est toutefois mal connu et difficile à estimer, d’autant plus que des mesures expérimentales détaillées sont très rares et difficiles à mener. L’objectif de ce travail est double: d’une part évaluer le gain réel des parois nervurées sur le rendement chimique; d’autre part proposer de nouveaux designs de réacteurs offrant une sélectivité chimique optimale. Ceci est rendu possible par l’approche de simulation numérique aux grandes échelles (LES), qui est utilisée pour étudier l’écoulement réactif à l’intérieur de diverses géométries de réacteurs. Le code AVBP, qui résout les équations de Navier Stokes compressibles pour les écoulements turbulents, est utilisé pour simuler le procédé grâce à une méthodologie numérique adaptée. En particulier, les effets des pertes de charge et du transfert thermique sur la conversion chimique sont comparés pour un réacteur lisse et un réacteur nervuré afin de quantifier l’impact de la rugosité de paroi dans des conditions d’utilisation industrielles. Une méthodologie d’optimisation du design des réacteurs, basée sur plusieurs simulations numériques et les processus Gaussiens, est finalement mise au point et utilisée pour aboutir à un design de réacteur de craquage thermique innovant, maximisant le rendement chimique / Thermal cracking is an industrial process sensitive to both temperature and pressure operating conditions. The use of internally ribbed reactors is a passive method to enhance the chemical selectivity of the process, thanks to a significant increase of heat transfer. However, this method also induces an increase in pressure loss, which is damageable to the chemical yield and must be quantified. Because of the complexity of turbulence and chemical kinetics, and as detailed experimental measurements are difficult to conduct, the real advantage of such geometries in terms of selectivity is however poorly known and difficult to assess. This work aims both at evaluating the real benefits of internally ribbed reactors in terms of chemical yields and at proposing innovative and optimized reactor designs. This is made possible using the Large Eddy Simulation (LES) approach, which allows to study in detail the reactive flow inside several reactor geometries. The AVBP code, which solves the Navier-Stokes compressible equations for turbulent flows, is used in order to simulate thermal cracking thanks to a dedicated numerical methodology. In particular, the effect of pressure loss and heat transfer on chemical conversion is compared for both a smooth and a ribbed reactor in order to conclude about the impact of wall roughness in industrial operating conditions. An optimization methodology, based on series of LES and Gaussian process, is finally developed and an innovative reactor design for thermal cracking applications, which maximizes the chemical yield, is proposed

Dans le but de réduire la consommation en carburant et les émissions de CO2 des moteurs à combustion interne, un des leviers, qui a intéressé diffèrent acteurs dans le secteur automobile, est la récupération de l’énergie thermique disponible dans les gaz d’échappement. Malgré différents technologie ont été investigués dans le passé; les transferts de chaleur qui apparient dans les gaz d’échappement n’ont pas encore étés suffisamment étudiés. Le fait que les échanges de la chaleur apparent dans des conditions pulsatives, notamment due aux conditions de fonctionnement moteur, rende les connaissances acquis jusqu’à présent limités et ne pas exploitables. A l’état actuel on n’est pas capable de pouvoir prédire le transfert thermique convectif des écoulements pulsé. Les travaux de cette thèse s’instaurent dans la continuité de ce besoin, l’objectif principal est donc l’étude expérimentale du transfert thermique convectif des écoulements turbulent pulsés dans un conduit cylindrique. La première partie de ce travail a été consacrée à le dimensionnement d’un moyen d’essais permettant la création d’un écoulement pulsé type moteur; en suite différents méthodes de mesures ont étés développes afin de connaitre les variations instantanés de vitesse et température de l’écoulement. Plusieurs essais ont été reproduits afin de caractériser l’impact de la pulsation sur le transfert de la chaleur. Les résultats expérimentaux ont été analysés avec deux approches différentes: dans un premier temps une approche analytique 1D a permis de mettre en évidence le mécanisme principal responsable de l’amélioration du transfert thermique convectif,ainsi, il a fourni des éléments supplémentaires pour le futur développement de modèles mathématiques plus adaptés à la prédiction des transferts d’énergie. En suite une approche 2D, supporté d’une phase de modélisation numérique, a permis de caractériser le mécanisme de transport radial d’énergie thermique. / Waste Energy Recovery represents a promising way to go further in fuel saving and greenhouse emissions control for Internal Combustion Engine applications. Although several technologies have been investigated in the past few years, the convective heat transfers, playing an important role in the energy exchanges at the engine exhaust, has not receive enough attention. Heat transfers, in such applications, occur in pulsating conditions because of the engine operating conditions, making thus the actual knowledge of the heat transfer phenomena limited and not exploitable. Nowadays there is not any model capable to predict convective heat transfers for pulsating flows. In this context, the present thesis addresses the purpose to study the convective heat transfer phenomena, by an experimental approach, occurring for turbulent pulsating flows in pipes. In the first part of this work, an experimental apparatus has been designed to reproduce an exhaust type pulsating flow in fully managed conditions, as well as, several measurement techniques have been developed to know the instantaneous profiles of air temperature and velocity. Many experiments have been performed in order to characterize the impact of the flow pulsation on the convective heat transfers. In the second part of this work, the experimental results have been analyzed with two different approaches: firstly, with a 1D assumption the time-average convective heat transfers has been computed, and the major mechanism responsible of the heat transfer enhancement has been pointed out. Furthermore, it has been possible to highlight the mathematical term representative of such mechanism, which should be accounted in future to define a more adapted numerical model for the heat transfer prediction. In a second phase with a 2D assumption, and, with an energy and a fluid-mechanic computational phase, the radial transport of thermal energy has been characterized for a pulsating flow.

Les transferts thermiques par rayonnement dans des mousses sont modélisés à partir de la morphologie du matériau et des propriétés de sa phase solide. Dans ce travail de thèse, une attention particulière est portée sur les modèles radiatifs de Monte Carlo. Les différentes approches d’homogénéisation telles que « Homogeneous Phase » (HPA) and « Multi Phase » (MPA) sont discutées et comparées. Des développements novateurs sont proposés pour améliorer la précision des résultats. Nos avancées permettent de générer numériquement trois types de mousses périodiques couvrant un large domaine de matériaux cellulaires: mousse à pores fermés à haute porosité, mousse à cellules ouvertes à basse et haute porosité. Pour ces dernières, des comparaisons morphologiques avec des données expérimentales tomographiques, montrent des résultats satisfaisants et tendent à valider nos modèles de génération. Des mousses dont la phase solide est opaque ont tout d’abord été étudiées. Nos simulations ont permis de trouver de nouvelles lois analytiques précises permettant d’estimer les propriétés radiatives de ces matériaux à partir de données morphologiques. Ensuite, nous avons considéré des mousses, dont la phase solide est semi transparente. La modélisation du transfert radiatif au sein de ces milieux cellulaires est plus complexe. Les méthodes de modélisation des propriétés radiatives de la littérature, HPA et MPA, sont testées. Des simulations de Monte carlo directes dans les matériaux ont permis de mettre en exergue les limites de ces modèles. Des modèles novateurs ont été proposés afin d’ améliorer la précision des simulations. Ils sont basés sur une méthode hybride directe-inverse et une modification de l’équation de transfert radiatif classique. Ces nouveaux modèles (HPA+ et MPA+) ont été testés sur un ensemble varié de morphologies générées numériquement. Les modèles améliorés sont systématiquement plus précis que les modèles existants / Cellular media such as plastic, ceramic and metal foams present specific characteristics that make them interesting for a number of applications related to thermal engineering. Their ability to minimize natural convection makes them ideal candidates for insulation applications, while the high specific surface and permeability to fluid of open cell foams makes them interesting heat transfer enhancers. In addition, their permeability to light makes them an ideal candidate for thermal radiation based applications, such as porous burners or solar energy collectors. In many of these application, thermal radiation heat transfer can have a significant influence on the heat transfer process. Both accurate radiation models and accurate morphological models of the structure of the foam are required. This work provides an original contribution on both these accounts. A discussion of the literature on numerical methods for radiation heat transfer in cellular media is presented, with focus on Monte Carlo methods. Homogeneous Phase (HPA) and Multi Phase (MPA) methods are discussed. Further efforts are required to accurately model and digitally replicate of foam morphologies. Our goal is to digitally generate three commonly occurring types of foam structures, covering a large range of real materials: high-porosity open cell foams, high-porosity closed cell foams, low-porosity open-cell structures. For high-porosity open cell foams, the automated parametric digital generation technique was validated against a dataset consisting of raw morphological data obtained by tomographic analysis. The generation capabilities were then applied to parametrically investigate the influence of morphological parameters on the radiative properties (namely, the extinction coefficient) of an opaque open-cell foam. Highly accurate analytical relationships were subsequently deduced and validated by comparison with results obtained from tomography samples. Modeling radiation in foams with a semi-transparent solid phase is substantially more complex. A Direct Monte-Carlo Homogenization reference technique is proposed, that allows to simulate radiation within arbitrary cavities and calculate macroscopic radiative quantities based on a Representative Elementary Volume (REV) of cellular material. The technique is validated against full scale Monte Carlo simulations. Improvements of the existing Homogeneous Phase and Multi Phase approach are proposed, through extensive use of inverse methods and the addition of one equation to take into account specific phenomena taking place in the semi-transparent solid phase. The resulting Improved Homogenized Approaches are extensively tested by comparing them with Direct Monte Carlo Homogenization simulations and existing homogenized models, on a varied set of morphologies making full use of the previously developed digital generation techniques. The improved models consistently outperform existing homogenized models.

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.

Une étude expérimentale est menée afin de comprendre le phénomène de nucléation lors de l'ébullition. Cette étude est menée sur des surfaces polies miroir ou ultra-polies en aluminium, l’acétone étant le fluide de travail. L'analyse est réalisée en fonction de la topographie de la surface liée au degré de polissage et en fonction du revêtement de la surface dans le but de modifier sa mouillabilité. L’étude a mis en avant trois catégories de comportement, fonctions de l’état de surface : les surfaces nano lisses, les surfaces nano lisses avec défauts et les surfaces rugueuses. Les bonnes caractéristiques obtenues avec des échantillons nano lisses comportant des défauts aléatoirement répartis ont conduit à la réalisation d’échantillons nano lisses avec des défauts de position et de taille contrôlés. Les résultats obtenus avec ces derniers échantillons présentent les meilleures performances. Une amélioration supérieure à un facteur deux par rapport aux surfaces rugueuses est observée, ce qui représente un gain substantiel. Bien qu’il soit le fondement de la plupart des modèles théoriques, le nucléus à l’origine de la formation d’une bulle n’a jamais été observé expérimentalement car sa taille dépasse la capacité des moyens de mesure traditionnels. Dans ce mémoire, une méthode optique - basée sur la résonnance de plasmons sur des surfaces comportant un réseau de diffraction - est utilisée dans le but d’étudier ce phénomène. Les expériences mettent en évidence la capacité de cette méthode à mesurer la variation de la température pariétale de l’échantillon avant le déclenchement de l’ébullition. Les mesures de résonance plasmon montrent qu’il n’y a pas de modification de la densité du fluide au voisinage de la paroi pour des surchauffes proches du déclenchement de l’ébullition. La nucléation est trop rapide pour être mesurée. Cependant, des premiers nuclei de condensation ont été détectés par cette méthode, ce qui constitue un résultat très prometteur. / An experimental study was conducted in order to understand the phenomenon of nucleation in boiling. This study was done on smooth surface or ultra-smooth surface made of aluminum, the working fluid is acetone. The analysis was realized as a function of the topography of the sample, roughness level, and as a function of nanocoating of the surface in order to modify the wettability. The study classed the sample in three categories, depending on the surface condition: the ultra-smooth surface, the ultra-smooth surface with defect and the rough surface. The good characteristics were obtained for the ultra-smooth sample with randomly distributed defects led to the fabrication of ultra-smooth sample with controlled artificial cavity. The results obtained with these latter samples present the best performances. A two-fold improvement over rough surfaces is observed, representing a substantial gain. Although it is the foundation of most theoretical models, the nucleus at the origin of the formation of a bubble has never been observed experimentally because its size exceeds the capacity of the traditional means of measurement. In this memory, an optical method - based on the resonance of plasmons on surfaces with a diffraction grating - is used to study this phenomenon. The experiments demonstrate the ability of this method to measure the temperature variation in the wall of the sample before boiling. Plasmon resonance measurements show that there is no change in the density of the fluid near the wall for overheating close to the boiling point. The nucleation is too fast to be measured. However, first nuclei of condensation were detected by this method, which is a very promising result.

L'étude consiste à décrire les phénomènes thermiques et aérauliques dans le bâtiment à l'aide d'un outil simplifié : la méthode zonale. Il s'agit d'une méthode tridimensionnelle basée sur le partitionnement en un petit nombre de sous-volumes, intermédiaire entre les modèles à un noeud et les maillages fins. On écrit des bilans de masse et d'énergie dans chaque sous-volume tandis que les échanges dans les interfaces sont déterminés par des lois reliant les débits aux différences de pression. L'aspect modulaire de la méthode facilite son implémentation dans un environnement orienté objet et le logiciel SPARK, adapté à la résolution de gros systèmes d'équations non-linéaires est utilisé à cet effet. Les résultats sont validés par rapport à différentes références expérimentales et numériques. Une étude paramétrique détermine les coefficients empiriques judicieux ainsi que les caractéristiques d'un maillage optimal. Un autre atout d'un environnement objet réside dans les possibilités de couplage. On traitera successivement l'exemple d'un modèle de description du confort, celui des transferts par conduction en tenant compte des effets tridimensionnels ainsi qu'un modèle de transferts de masse. La simulation des effets d'une source de chaleur donne des résultats conformes aux constatations expérimentales dans l'ensemble du volume. Enfin, le cas de la convection mixte est traité en prenant en compte la conservation de l'énergie cinétique dans l'écoulement ; les résultats correspondent à ceux obtenus avec un modèle de champ.