Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, ...) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence.

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

A l'heure où chacun débat sur la protection de l'environnement et les diminutions de la consommation énergétique, de nouveaux matériaux apparaissent sur le marché. Les matériaux à changement de phase (MCP) présentent un avantage et une technologie qui serait avantageuse tant sur le plan écologique qu'économique. Ils peuvent apporter des avantages compétitifs (baisse de la consommation d'énergie, gain du confort dans la vie sociale, refroidissement de packaging électronique….etc). Les enjeux écologiques mondiaux donnent plus de légitimité et intérêt à l'utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) dans plusieurs domaines (les biomatériaux, le bâtiment, les semi-conducteurs, composites…). Ce travail vise à mettre au point l'intégration de Matériaux à Changement de Phase (MCP) encapsulés/ou non encapsulés dans une matrice de polymère renforcée par des charges conductrices/ou non conductrices. La matrice peut être un thermoplastique ou un thermodurcissable. Le but est d'augmenter la conductivité effective et la vitesse de stockage/restitution de l'énergie sous forme de chaleur latente. La maîtrise du comportement thermique de ces matériaux passe par l'analyse fine de leurs propriétés thermophysiques. Il est donc indispensable de disposer d'outils expérimentaux adaptés pour caractériser ces matériaux. Nous avons donc fabriqué des échantillons « MCP » et conçu une plaque chaude gardée transitoire (PCGT), instrumentée de capteurs de température et de flux placés sur les deux faces de l'échantillon pour qu'ils soient sensibles aux variations des conditions aux limites thermiques contrôlées. La réponse thermique de ces échantillons à un cycle thermique de stockage-déstockage est présentée puis analysée. Les paramètres mesurés sont les conductivités thermiques et les chaleurs massiques dans les états solides et liquides, la température et la chaleur latente de changement de phase. Ces mesures fluxmétriques sont une source de données expérimentales très intéressante qui viennent compléter nos mesures calorimétriques de DSC / Pas de résumé en anglais

Le tissu adipeux est traditionnellement décrit comme étant constitué de lobules : des entités de formes ovoïdales composées de cellules et de vaisseaux et faiblement connectées entre elles.Récemment, il a été montré qu’un potentiel métabolique spécifique (le browning) co-localise avec cette organisation en lobules au sein d’un même tissu. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à décrire plus précisément l’organisation structurelle et fonctionnelle du tissu adipeux selon plusieurs aspects. Dans un premier temps, on s’attache à segmenter les lobules du tissu adipeux en utilisant une méthode de traitement d’image originale. Nous mettons en évidence une organisation 3D complexe et suivant plusieurs échelles. En particulier, il semble que le potentiel de browning soit également lié à une organisation structurelle particulière en clusters de lobules. Dans un second temps, à partir d’imagerie 3D, nous reconstruisons le réseau vasculaire entier du tissu adipeux et réalisons une simulation d’écoulements sanguins micro-vasculaires. Plusieurs hétérogénéités structurelles et fonctionnelles sont alors mises en valeurs à l’aide d’une analyse en communautés qui composent le tissu adipeux (par algorithme de clustering). Ces résultats confirment l’existence d’une zone centrale fortement vascularisée et qui se démarque également comme étant le lieu d’une perfusion sanguine d’intensité différente. Dans une dernière partie, nous abordons la question de transferts thermiques entre vaisseaux sanguins suivant des géométries simples mais pertinentes. Nous réalisons une étude systématique des paramètres adimensionnels clés du problème et mettons en évidence un invariant des échanges de chaleur : un optimum à faible nombre de Péclet (convection de même ordre que la diffusion). Nous introduisons également une méthode de calibration de paramètres effectifs dans le contexte des modèles homogénéisés de température à travers des tissus vascularisés.

Modélisation des transferts de masse et de chaleur dans une cellule d'électrolyse de production de fluor. La production de fluor par électrolyse est une étape clé de la conversion de l’uranium dans l’industrie nucléaire. Afin d’optimiser ce procédé, les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit se sont concentrés sur deux axes : le développement d’un modèle numérique de l’électrolyseur et l’étude du phénomène d’hyperpolarisation cathodique néfaste pour le bon fonctionnement de la cellule. Un modèle couplant plusieurs physiques (thermique avec solidification, diphasique, électrocinétique) a été développé et des essais expérimentaux ont été menés afin d’acquérir, d’une part, certaines propriétés physiques de l’électrolyte nécessaires aux simulations (conductivité thermique et capacité thermique à pression constante) et, d’autre part, des données expérimentales permettant de qualifier le modèle obtenu. Ce travail de modélisation a abouti à l’obtention d’un modèle 3D fiable couplant les physiques citées précédemment, ceci à l’échelle d’un pilote R&D semi-industriel. L’impact de la solidification de l’électrolyte sur le transfert de chaleur a également pu être simulé pour la première fois. Ces essais ont également permis de fournir des premières explications sur le phénomène d’hyperpolarisation cathodique en dressant des tendances claires quant à l’influence de certains paramètres de contrôle de l’électrolyseur comme le titre HF et la température de consigne. / Computer modeling of heat transfer and mass transfer in an electrolytic cell for production of fluorineElectrolytic production of fluorine is a key step in uranium conversion for the nuclear industry. In order to improve this process, the work described in this dissertation aims at two main objectives: to build a numerical simulation of the electrolysis cell and to understand the cathodic hyperpolarization effect which lowers the productivity of the cell. A model coupling several physics (heat transfer with solidification, two-phase flow, electrokinetics) has been developed and experiments were made in order to evaluate unknown physical properties of the electrolyte (thermal conductivity and heat capacity at constant pressure). Experimental data were also acquired in order to assess the capacity of the model to simulate various phenomena occurring inside the cell. Eventually, a reliable 3D model of a semi-industrial R&D cell coupling the physics above mentioned has been obtained. The negative impact of the solidification of the electrolyte on the cooling system was simulated for the first time. Thanks to these experiments, it was also possible to determine the major trends which drive the cathodic hyperpolarization effect. The influence of HF mass fraction and temperature on this phenomenon was clearly shown.

Ce travail est consacré au modèle rapide du procédé de déposition par projection thermique en plasma d'arc soufflé. Il est plus particulièrement consacré au traitement d'une particule isolée ou d'un lot de particules échantillon représentatif d'une poudre.<br />Le procédé de projection par plasma d'arc soufflé et les principaux phénomènes qui régissent la formation du jet de plasma, les échanges thermiques et dynamiques entre la particule et l'écoulement du jet gazeux et la construction du dépôt sont examinés. Nous avons fait une étude bibliographique des modèles développées par ailleurs pour simuler les différentes fonctionnalités du procédé.<br />Les fondements et les caractéristiques du logiciel « Jets&Poudres » sont exposés, avant de présenter le modèle du transfert plasma-particule qui prend en compte la conduction interne à la particule et les déplacements des fronts de changement de phase. Dans ce modèle le calcul de l'évaporation de la particule est découplé du problème de la dynamique du gaz dans le jet et nous exploitons les résultats de J. C. Knight et le modèle de « Pression en retour » (Back Pressure) qu'il a développé. Une étude qualitative est consacrée à l'effet des paramètres de dispersion de la poudre en sortie de l'injecteur sur le traitement d'une particule isolée et sur la construction du dépôt. Ces effets mis en évidences, nous exposons un modèle de transport d'un lot de particules représentatif d'une poudre dans l'injecteur afin d'évaluer la dispersion en masse, taille et vitesse avant l'entrée dans le jet. Ce modèle complexe prend ent compte les collisions particule-parois et les colisions binaires particule- particule.<br />Les résultats de ces deux modèles sont discutés. Le traitement dynamique et thermique de la particule isolée est en bon accord avec ceux de la littérature. Ce qui autorise l'étude des conditions opératoires et des paramètres des différentes composantes fonctionnelles du procédé (torche, gaz plasmagène, injecteur, poudre...) sur le traitement des particules et leurs histoires thermique et dynamique.<br />Le modèle a été utilisé pour évaluer la quantité de matière nanostructurée conservée en fin de traitement et avant impact sur le substrat. Nous avons également exploité le modèle de dispersion de poudre pour la simuler la tache-dépôt formée par la projection ‘statique' de poudres de différents matériaux et de différentes granulométries.

Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation, le dimensionnement et la commande d'un coffre composé de supercondensateurs et d'un convertisseur DC/DC permettant d'alimenter les auxiliaires d'un trolleybus ou les moteurs de traction lors des coupures de la ligne aérienne. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés au dimensionnement du système destockage pour une application du type récupération de l'énergie au freinage d'un trolleybus. Les modèles directes et inverses de la chaine cinématique ont été étudiés afin de définir une stratégie de dimensionnement du coffre s'appuyant sur le plan de Ragon. La seconde partie aborde la problématique de la fiabilité de l'élément de stockage. Le but est d'évaluer les contraintes que subissent les supercondensateurs en cours de fonctionnement et de prédire le vieillissement de ces derniers. Pour ce faire, nous avons développé et validé un modèle électrothermique du coffre de supercondensateurs. Ce modèle électrothermique a également été couplé à des lois de vieillissement permettant ainsi de prendre en compte les variations paramétriques majeures de ce système. Les résultats de ce couplage montrent l'impact de la dispersion des températures à l'intérieur du coffre sur la durée de vie de chaquesupercondensateur et du système de stockage. Finalement, le contrôle du convertisseur statique (hacheur Buck/Boost) associé auxsupercondensateurs est abordé. Une étude théorique a été menée pour synthétiser des lois de commande par mode de glissement et par PI appliqués au mode élévateur du hacheur (Boost). Ces lois de commande ont été validées sur un banc de test constitué d'un hacheur réversible, d'une alimentation DC, d'une charge résistive et de huit supercondensateurs. La comparaisondes résultats expérimentaux mettre en évidence l'intérêt de la commande par mode glissant enraison de sa robustesse et de sa réactivité par rapport à une commande classique (PI).

Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur.

Ce travail concerne la mesure et la caractérisation du transfert thermique à la paroi externe d'un faisceau de tube de refroidissement inséré dans des colonnes à bulles type " slurry ". La valeur du coefficient de transfert de chaleur est estimée à partir des équations de la chaleur. Une colonne de 0,15 m de diamètre et de 4 m de haut, équipée de deux tubes en U (3 cm de diamètre externe), a été utilisée pour mettre au point la métrologie nécessaire. L'eau a servi de fluide de refroidissement. Le mélange diphasique air-huile Syltherm XLT®, puis le mélange triphasique air-huile Syltherm XLT®-microbilles d'alumine poreuses (dS ~ 80 μm), ont servi de fluides modèles. L'incertitude de nos mesures a été estimée à environ 8 %. En système diphasique, les variations du coefficient de transfert de chaleur avec la vitesse superficielle du gaz ont pu être corrélées par une loi semblable à celle de Deckwer (1980). Cependant, la valeur de la constante de corrélation semble dépendre de l'orientation du faisceau de tubes par rapport à l'axe de la colonne. Un tel comportement n'a jamais été rapporté dans la littérature. L'écart du faisceau à un faisceau idéal (i.e. parfaitement droit et symétrique) peut être un paramètre crucial pour le transfert de chaleur. En système triphasique, la valeur du coefficient ne varie pas de façon significative jusqu'à une concentration massique d'environ 18,8 %, avant de diminuer d'environ 10 % pour une concentration massique de 21,3 %. Ce résultat est surprenant. Les variations rapportées dans la littérature sont en effet souvent contradictoires, mais toujours continues dans la gamme de concentrations testée. La métrologie mise au point a été implantée dans une colonne de 1 m de diamètre et de 5 m de haut, équipée de 24 tubes en U (6 cm de diamètre externe). Celle-ci est jugée représentative d'un réacteur pour le procédé Fischer-Tropsch. Les premiers résultats indiquent que la caractérisation thermique de l'installation sera plus délicate que pour la petite colonne