Le travail de thèse a pour but d’étudier le phénomène de sécheresse à l’aide d’une modélisation numérique de l’échange sol-atmosphère-structure et d’analyser les conséquences de la sécheresse sur les structures. Il comporte trois parties :La première partie comporte une synthèse des travaux réalisés sur la sècheresse et plus particulièrement sur le transfert de masse et de chaleur dans les sols non saturés. Les modèles proposés pour le couplage sol-atmosphère sont présentés. On présente également la méthodologie de détermination des paramètres intervenant dans les équations de transfert et le couplage sol-atmosphère. La seconde partie concerne la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans les sols non saturés en prenant en compte l’échange sol-atmosphère. Après une présentation du modèle numérique de transfert de masse et de chaleur, on décrit l’implémentation de ce modèle dans un code de calcul par éléments finis (ESNA-LML) et la validation de ce code. Le chapitre s’achève par une étude de l’échange sol-atmosphère au voisinage d’une structure et l’influence des caractéristiques des sols et des conditions climatiques sur cet échange et sur la succion induite dans le sol. La troisième partie traite de l’influence de la sècheresse sur l’interaction sol-structure. L’analyse est effectuée à l’aide d’une approche découplée. Dans un premier temps, la succion induite par la sècheresse est déterminée par la résolution du problème de transfert de masse et de chaleur dans le sol en prenant en compte le couplage sol-atmosphère. On utilise le code présenté dans le second chapitre. Ensuite, un programme de calcul par éléments finis est utilisé pour analyser la réponse mécanique du système sol-structure à la succion déterminée lors de la première phase. / The thesis aims to study the phenomenon of drought using a numerical modelling of interaction soil-atmosphere-structure and analyse the impact of drought on the structures. It has three parts: The first part includes a summary of work done on the drought, especially on transfer of mass and heat in unsaturated soils. The models proposed for coupling soil-atmosphere are presented. We also present the methodology determining the parameters involved in the transfer equations and soil-atmosphere coupling. The second part concerns the modelling of transfer of mass and heat in unsaturated soils by taking into account the soil-exchange atmosphere. We describe also the implementation of this model in finite element code (ESNA-LML) and the validation of this code. The chapter concludes with a study of soil-atmosphere exchange in the vicinity of structure and influence of soil characteristics and climatic conditions on the suction induced in the soil.  The third part studies the influence of drought on the soil-structure interaction. The analysis is performed using a decoupled approach. Initially, the suction induced by the drought is determined by solving the transfer of mass and heat in soil taking into account the coupling soil- atmosphere. Then, a program of finite element (ESNA-LML) is used to analyse the mechanical response of soil-structure.

Le but de cette thèse est de développer des moyens expérimentaux et une méthodologie de résolution du problème de transfert de chaleur lors du refroidissement des absorbeurs de lumière et des optiques utilisés pour le conditionnement du faisceau sur le Synchrotron de SOLEIL. Des prototypes d’absorbeur de chaleur, munis de dissipateurs à mini-canaux et mini-picots trapézoïdaux, ont été fabriqués et testés expérimentalement sur un banc d’essais conçu pour permettre des mesures dans l’air et sous vide. Des corrélations ont été proposées. Des mesures de résistance thermique de contact ont été également conduites pour les dissipateurs dédiés au refroidissement des optiques sur leur face arrière. Ces résistances ont été minimisées par l’application d’un dépôt de couche mince en argent.Une technique de résolution du problème de transfert par méthode inverse, à partir de l’association de plusieurs tests avec excitation localisée, a été développée. Cette technique a permis de réduire considérablement le nombre de calculs numériques, mais elle devrait être améliorée pour réduire l’impact des erreurs de mesure sur les résultats. / The purpose of this Ph. D. thesis is to develop a methodology and an experimental set-up for the study of the heat transfer problem in the cooling of the light beam absorber used in Synchrotron SOLEIL. Three different prototypes of the heat sink with mini-channels and diamond shaped pin fins were manufactured and tested experimentally. The test facility allows the measurements in both atmospheric conditions and under low pressure in a vacuum chamber.Measurement of the thermal contact resistance were also conducted for the heat sinks. This is an important issue in the cooling of the optics on their back side. These resistances have been minimized by the application of a silver thin layer coating.We have proposed here also a basis of a new technique for the resolution of the inverse problem by a combination of several tests with localized heat excitation. This technique has greatly reduced the number of numerical calculations in the adjoint problem and achieved a rapid convergence to the solution. It should be improved for minimizing the effects of the measurement errors on the heat transfer coefficient curve.

La maîtrise de la température des composants à forte dissipation, notamment dans les systèmes électroniques nomades, constitue un verrou à leurs développements. Que ce soit pour l'électronique de puissance ou les calculateurs, les densités de puissance requièrent l'utilisation de systèmes de refroidissement de plus en plus performants, en particulier dans le cas des microprocesseurs qui associent miniaturisation et augmentation des fréquences d'horloge. Les conséquences sont multiples, limitation des performances, augmentation de la consommation et du taux de défaillance. C'est dans ce contexte que le projet CANOPEE, réunissant un consortium de partenaire industriel et académique, propose de développer et démontrer les avantages d'une solution technologique active récemment brevetée et appelée OnduloTrans. Elle consiste en un dispositif échangeur-pompe, permettant à la fois d'obtenir un excellent transfert thermique et d'assurer le pompage du fluide caloporteur. OnduloTrans est une solution active de refroidissement basée sur la déformation dynamique d'une paroi d'un canal. Le dispositif est fixé directement à l'aplomb du composant à refroidir. Le canal est déformé suivant une onde progressive pour créer un pompage péristaltique. L'intensification des transferts est obtenue lorsque les variations dynamiques des dimensions du canal viennent perturber la couche limite à l'interface conduction/convection. Le travail de la thèse consiste à concevoir et développer une solution d'actionnement intégrée permettant de mouvoir la paroi souple. Il s'accompagnera d'essais concrets témoignant des performances thermiques de cette solution. L'actionnement mis en oeuvre doit respecter les contraintes hydrauliques et thermiques de l'application embarquée visée, tout particulièrement le faible encombrement et une consommation électrique minimale. La difficulté réside dans les critères antagonistes que sont la production d'une onde progressive de grande amplitude dans un milieu aux dimensions centimétriques. Le manuscrit s'articule en trois parties. Dans un premier temps les solutions d'actionnement envisageables seront explorées. Pour ce faire, la solution OnduloTrans est d'abord décrite. Un état de l'art des solutions de conversion électromécanique, puis des micropompes péristaltiques est entrepris. Les phénomènes hydrauliques propres au micropompage péristaltique sont abordés pour cerner la problématique du développement de l'actionnement. Ensuite les deux chapitres suivants détaillent l'étude de deux solutions piézoélectriques distinctes. Une première solution piézoélectrique à onde discrète est développée dans le second chapitre. Elle consiste en une répartition d'actionneurs flextensionnels le long de la paroi souple. Une méthodologie de prédimensionnement basée sur des modèles mécaniques simples est présentée. L'onde progressive créée étant très particulière, une méthode analytique de calcul du débit, validée par simulations numériques, permet d'étudier l'influence de la commande des actionneurs. Un prototype est finalement réalisé avec l'aide des partenaires. De nombreux essais sont ensuite réalisés afin de valider les différentes hypothèses et déterminer les premières performances hydrauliques et thermiques du dispositif. Le troisième chapitre aborde une solution à onde progressive continue et actionnement intégré à la membrane. Le but est ici de prouver le concept de pompage péristaltique par flexion contrôlée d'une plaque intégrant une couche piézoélectrique. Un modèle de dimensionnement 1D constitué de tronçons piézoélectriques répartis à la surface est tout d'abord présenté. La répartition des segments piézoélectriques fait ensuite l'objet d'une étude paramétrique afin de définir judicieusement leur disposition, ceci en vue de maximiser le débit théorique. Cette étude paramétrique est finalement couplée à une optimisation des commandes électriques, évaluée par les résultats d'un prototype.

Dans un souci d'un air ambiant sain, les nouvelles constructions sont dotées d'échangeurs d'air qui permettent de remplacer l'air vicié intérieur par l'air sain extérieur. Cependant, ce changement d'air entraîne une perte d'énergie si l'on doit chauffer l'air extérieur froid ou refroidir l'air extérieur chaud qui entre dans la maison. C'est pourquoi il est important d'avoir un échangeur d'air qui réussit à récupérer l'énergie de l'air qui sort ou dissiper celle de l'air qui entre. Dans le but d'optimiser les performances des membranes des échangeurs d'air, une compréhension des interactions moléculaires est nécessaire. Donc, l'objectif de ma maîtrise est d'établir un modèle moléculaire du transfert d'humidité et de chaleur à travers une membrane de cellulose qui est une composante importante des membranes des échangeurs d'air. Premièrement, à l'aide de la microscopie électronique, nous étudierons la structure de la cellulose, ceci nous dévoilera l'allure de la modélisation à effectuer afin de mimer le plus fidèlement possible la réalité telle qu'observée expérimentalement. Nous devons augmenter le contraste entre les chaînes polymériques pour les observer par microscopie électronique. Nous avons augmenté le contraste en associant des complexes de cuivre à la cellulose, ces complexes sont réduits en cuivre métallique avec différents réducteurs. Nous avons aussi utilisé une autre technique qui consiste à oxyder les alcools primaires en surface de la cellulose en acide carboxylique. Ensuite, avec une bonne agitation on peut défaire les fibres en nanofibres dû aux forces de répulsion entre les carboxylates et on peut observer les nanofibres par microscopie électronique à transmission en augmentant le contraste entre les nanofibres à l'aide d'acétate d'uranyle. Ensuite, à l'aide de la suite de logiciel de modélisation moléculaire Material Studio (AcceIrys), nous pouvons simuler et modéliser l'échange d'humidité dans le matériau. La suite de Material Studio permet de faire de la modélisation de type mésoscale, c'est-à-dire entre l'échelle de la mécanique moléculaire et les modèles de continuum. Nous avons développé la méthode pour pouvoir l'appliquer à nos modèles et les résultats obtenus sont très prometteurs pour permettre une application au développement futur d'études portant sur les nanomatériaux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : DPD, Modélisation moléculaire mésoscale, Diffusion, Caractérisation, Cellulose amorphe, Cellulose cristalline.

La thèse vise à identifier, développer et tester des matériaux isolants à partir de déchets textiles, le rôle de l'isolation thermique des tuyaux. Visant à accroître la performance énergétique de chauffage et avec un impact environnemental réduit. Etude théorique était d'identifier les propriétés matériau d'isolation thermique, la classification sur le marché utilisé dans l'isolation thermique des méthodes de test national et international. Pour tester les propriétes thermiques ont été menées deux installations de laboratoire. Dans un premier temps l'installation, afin de déterminer la conductivité thermique, le flux thermique de la chaleur est produite par une résistance électrique. Ont été réalisés et testés structurellement différents des matériaux de densité (coton, la laine et le tissu non tissé) de la température maximale de 90C dans la canalisation. Le rôle de ces essais était de déterminer la densité et le comportement optimal à des températures différentes. Une deuxième installation est effectuée sur un cas réel (une tuyauterie isolée thermique avec a) la flux thermique de la chaleur est générée par le fluide (de l'eau). Un conducteur testé dans trois situations : tuyaux non isolés, tuyau isolé et le tuyau PUR isolé non tissé. Tous les tests étaient en faveur de la non tissé. L'analyse statistique a montré que la température et la densité sont des facteurs importants qui influent sur la conductibilité thermique des tissus. / The thesis aims at identifying, developing and testing of insulation materials from waste textiles, the role in thermal insulation of pipes. Aiming at increasing the energy performance of heating and with a reduced environmental impact. Theoretical study was to identify thermal insulating material properties, classification on the market used in thermal insulation of national and international and the testing methods. To test the thermal properties were conducted two laboratory facilities. At first installation, to determine the thermal conductivity, the thermal flow of heat flux is generated by electrical resistance. Were made and tested structurally different density materials (cotton, wool and non-woven fabric) with maximum temperature of 90C in the pipeline. The role of these tests was to identify the optimum density and behavior at different temperatures. A second installation is performed on a real case (an installation with a thermal insulated pipe) the thermal flow of heat is generated by the fluid (water). A conductive tested in three situations: non-insulated pipes, insulated pipe and pipe PUR insulated non-woven fabric. All tests were in favor of non-woven fabric. The statistical analysis showed that the temperature and density are significant factors that influence the thermal conductivity of fabrics.

Ce travail de thèse a été consacré à la simulation numérique des transferts par convection forcée dans des écoulements turbulents pleinement développés. Deux configurations ont été considérées : la conduite cylindrique et l'espace annulaire. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace les champs instantanés de vitesse et de température afin d'en déduire les profils moyens, les écart-types, les flux de chaleur turbulents ainsi que des statistiques d'ordres plus élevés telles que les coefficients de dissymétrie et d'aplatissement. Une approche plus poussée dans l'analyse des écoulements turbulents est aussi utilisée : les fonctions de densité de probabilité (pdf) et les fonctions de densité de probabilité jointes (jpdf). On s'intéressera à l'influence de la diffusivité thermique du fluide sur les transferts thermo-convectifs dans les deux géométries. On étudiera l'effet de la rotation de la paroi sur le transfert de chaleur dans la conduite cylindrique. Dans la géométrie annulaire, l'influence du rapport des flux de chaleur imposés sur les parois est analysée / This thesis was devoted to the numerical simulation of heat transfer by forced convection in fully developed turbulent flows. Two configurations were considered : the pipe and the annulus flows. The turbulent fields are statistically analyzed by averaging the instantaneous fields of velocity and temperature in order to deduce the mean profiles, root mean square, turbulent heat fluxes as well as higher order statistics such as skewness and flatness coefficients. A more thorough in the analysis of turbulent flows is also used : probability density functions (pdf) and joined probability density functions (jpdf). We look at the influence of the thermal diffusivity of the fluid on the convective heat transfer in both geometry, the influence of the ratio of heat fluxes imposed on the walls is analyzed

Cette étude a pour objectif la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur couplés conduction-rayonnement, en régime transitoire, dans les isolants thermiques du bâtiment, en vue de leur optimisation. Nous avons étudié deux matériaux poreux très différents : des mousses de polystyrène extrudé (XPS) et un isolant en fibres de bois. Les propriétés radiatives ont été identifiées par méthode inverse. Nous avons ainsi mis en évidence la très faible contribution du transfert radiatif pour la laine de bois étudiée. Un modèle de prédiction des propriétés radiatives à partir des données morphologiques a été adopté pour les mousses XPS, puis validé grâce à différentes mesures. Nous avons montré que les propriétés radiatives sont très dépendantes des paramètres morphologiques ainsi que des indices optiques du polystyrène, et qu'un effort de caractérisation doit être fait pour des structures anisotropes. Enfin nous avons validé le code de résolution du transfert couplé conduction-rayonnement en régime transitoire grâce à des mesures fluxmétriques effectuées sur les isolants pris séparément puis mis en assemblages. Dans le cadre de l'isolation thermique du bâtiment, nous avons montré que les flux thermiques aux frontières des isolants en régime transitoire étaient identiques au cas où on considère la conductivité thermique totale qui prend en compte les contributions radiative et conductive. Nous avons montré l'importance des inerties thermiques grâce à des simulations annuelles du comportement de parois. / The objective of this study is to better understand the mechanisms of the coupling radiative-conductive heat transfer of thermal building insulators used in a transient regime. Two insulating materials were studied in this work: extruded polystyrene foam (XPS) and wood wool. The radiative properties were determined using the inverse method. We demonstrated that the contribution of the radiative heat transfer of the wood wool was quite small. For XPS, radiative properties are more significant and are a function of the foam morphological structure as well as the optical indices of the polymer matrix. A model was developed for isotropic XPS material, however additional developments are needed to better characterize the effects of the foam anisotropy. The coupling radiative-conductive heat transfer in a transient regime was analyzed and validated with the heat flux meter measurement. The experiments were performed with a single insulating element and with various combinations of them. For building thermal insulation in a transient regime, we demonstrated the heat fluxes at the borders of insulators, determined by the coupling solution, are identical when considering the total thermal conductivity which includes radiative and conductive heat transfer. The individual contribution of radiative and conductive heat transfer was not noticeable, however the thermal inertia of the material contributed to delay the heat peak.

Le coulis de glace est un fluide composé d'une phase solide, la glace, et une phase liquide, une solution aqueuse. Dû à la chaleur latente de la fonte de la glace, le coulis peut extraire une plus grande quantité d'énergie que le fait un fluide monophasique. Dans un premier temps, les corrélations permettant de calculer les propriétés thermophysiques des solutions aqueuses, soient la concentration de glace, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et l'enthalpie, sont établies.Le coulis à base de propylène glycol est pris comme exemple afin de présenter la démarche suivie. Pour les trois autres additifs, l'éthylène glycol, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium, seuls les coefficients des corrélations sont présentés. Dans un deuxième temps, une série d'expérimentations a été réalisée sur un échangeur de chaleur tubes et calandre afin d'évaluer les pertes de pression et le transfert de chaleur du coulis fait à base d'éthylène glycol. La perte de pression dans les tubes, ainsi que la température à l'entrée et à la sortie et le débit massique de chaque fluide ont été mesurés. Les mesures ont démontré que la concentration de glace a un impact plus grand sur le transfert de chaleur quand le débit de coulis est faible. De plus, le débit de coulis a un impact plus grand sur les pertes de pression que la concentration de glace. Dans un troisième temps, le transfert de chaleur en régime transitoire entre la patinoire, les fondations du bâtiment et le sol extérieur a été calculé par un modèle numérique d'aréna. Deux réfrigérants secondaires, la saumure et le coulis, servant à refroidir la glace sont comparés. La simulation montre que la température de la glace est plus uniforme avec le coulis qu'avec la saumure. Une analyse paramétrique est menée afin d'évaluer l'effet de la diminution du débit de réfrigérant secondaire sur la température de la surface de la glace et sur la puissance de pompage.

This thesis deals with a numerical study of laminar, mixed convection flow associated with mass transfer and phase change in a parallel plate channel. The plates are maintained at a constant uniform temperature and the lower plate is covered by thin liquid water film. The liquid film is assumed to be extremely thin and its temperature is equal to the wall temperature. A 2D fully elliptical model, associated with the Boussinesq assumption, is used to take into account axial diffusion. The solution of this mathematical model is based on the finite volume method and the velocity-pressure coupling is handled by the SIMPLER algorithm. Combined buoyancy forces effects on laminar mixed in symmetrical isothermal channel were investigated. Results show that buoyancy forces have an important effect on the hydrodynamic field as well as on the heat and mass transfer characteristics. Thus, for cold plates and an upward hot air flow, these forces induce a flow reversal near the plates for high air temperatures and mass fractions. Additionally, heat transfer associated with phase change (i.e. latent heat transfer) is more important compared with sensible heat transfer. Flow reversal was investigated in symmetrical isothermal vertical channel and asymmetrical isothermal inclined channel. For the inclined channel, only the lower plate is wetted by a thin liquid water film while the other one is impermeable. We discuss the effect of the buoyancy forces on the hydrodynamic, heat and mass fields. Thus, these forces induce a flow reversal when there intensities are important. It is established that heat transfer associated with phase change is, sometimes, more significant than sensible heat transfer. Furthermore, this importance depends on the mass fraction gradient. The conditions for the existence of flow reversal are presented in charts and analytical expressions. These charts specify the critical thermal Grashof number as a function of the Reynolds number for different values of the solutal Grashof number and different channel inclinations.

Une des composantes clefs pour l'amélioration de la qualité et de l'efficacité énergétique du procédé de cuisson est la capacité à modéliser et simuler celui-ci. Dû à la nature physique et géométrique de ce procédé très complexe, les techniques de Computational Fluid Dynamics (CFD) représentent un puissant outil de modélisation. Or, le recours aux méthodes CFD pour simuler la cuisson est une tendance récente et il n'y a pas encore de modèle couplant transfert de chaleur et de masse tout en considérant à la fois l'enceinte et le produit. Cette thèse présente un travail de recherche précurseur dans la modélisation CFD et multi-physique du procédé de cuisson, en particulier au niveau du couplage enceinte-produit. Dans un premier temps, considérant principalement l'enceinte, la simulation tridimensionnelle d'un four de laboratoire est réalisée en considérant le modèle k-epsilon realizable pour la turbulence et le modèle de radiosité S2S pour le rayonnement. En modélisant en détail un instrument de mesure au centre du four, la simulation est comparée aux mesures expérimentales. Il est ainsi démontré que la température des parois rayonnantes est un paramètre critique, due à la dominance du transfert par rayonnement. Une connaissance limitée de ces températures réduit la précision du modèle. Deuxièmement, afin de palier ce désavantage, une méthode inverse originale est développée afin de déterminer la température rayonnante des parois à partir de mesures d'un instrument placé au centre du four. Les résultats démontrent l'efficacité de la méthode tant dans sa capacité à retrouver les températures de parois que dans sa légèreté en coût de calcul. Ce dernier étant un avantage certain lorsque la méthode est implantée dans un code CFD, car ces codes sont intrinsèquement très intensifs en quantité de calcul. Finalement, un modèle couplant enceinte et produit en cuisson est modélisé et simulé. Le produit de cuisson est considéré multiphasique (eau liquide, vapeur et pâte sèche). Le changement de phase est modélisé avec une formulation originale où le taux d'évaporation obéit à une équation hors équilibre en dessous de 100°C, puis à une équation d'ébullition à partir de cette température. Grace à un maillage dynamique, un front d'évaporation est simulé pour la première fois en 2 dimensions Afin de tenir compte de la participation de l'humidité dans l'enceinte du four, le modèle de rayonnement Discrete Ordinates est utilisé. La simulation de l'évolution de la température ainsi que des phases liquide et vapeur dans le pain est en accord avec les comportements reconnus dans la littérature. Combiné à une corrélation reconnue pour le coefficient d'absorption, l'effet de l'humidité dans l'enceinte sur les flux de rayonnement est quantifié. Entre autre, une réduction significative de ces flux est observée lorsque les parois rayonnantes sont plus chaudes que l'air du four. La pose d'un modèle multi-physique englobant autant l'enceinte que le produit en cuisson est très prometteur pour l'amélioration du contrôle du procédé de cuisson. Ce travail de recherche développe un tel modèle et aboutit à des techniques originales de modélisation et de simulation propres à l'implantation dans les codes CFD.