Le transfert de masse et de chaleur dans les vêtements est un phénomène faisant appel àdifférents mécanismes physiques : les échanges de chaleurs sèches et les transferts de vapeur etde liquide. Ces mécanismes sont fortement influencés par les facteurs liés à la construction, laforme du vêtement par rapport à celle du corps et l’utilisation du vêtement. Ces facteurs peuventêtre optimisés en changeant la taille et la forme des différentes couches d’air emprisonnées entrela peau et les vêtements. La plupart des modèles mathématiques de vêtements font l’hypothèse que l’épaisseur d’air entrela peau et l’étoffe est uniforme, ou alors ils l’ignorent. La non-uniformité et de la non-linéaritédes transferts de chaleur et d’eau ne sont alors pas prises en compte. En effet, le processus detranspiration dépend non seulement de l’aire de contact et de l’épaisseur d’air emprisonnée entrela peau et le vêtement mais également de la région du corps. Nous proposons une méthode permettant de déterminer, avec une plus grande précision que lestechniques existantes, l’épaisseur d’air et l’aire de contact entre le corps et un vêtement à l’aided’une analyse avancée de scans 3D d’un mannequin homme nu et habillé. L’effet du tauxd’humidité sur l’aire de contact et l’épaisseur du film d’air a été étudié en fonction de la zone ducorps et ceci pour différentes tailles, structures de l’étoffe et fibres. Cette méthode contribue àévaluer de façon plus réaliste les échanges de masse et de chaleur au travers de plusieurs couchesde vêtements et ainsi de fournir des données d’entrée précises aux modèles pour la conception devêtements avec prise en compte du confort et de l’ergonomie. / The heat and mass transfer within the clothing system is a composition of a number of physicalprocesses, such as: dry heat and vapour and liquid water transfer. Factors associated with theconstruction and use of the garment, such as body posture and movement, and clothing fitinfluence these processes significantly. This is achieved mainly by changing the size and theshape of the different layers of air trapped between the skin and clothing. Most existing mathematical clothing models assume uniform air gap between the body and fabric layers or ignore it. However, this approach disregards the non-uniform and non-linear heat,vapour and liquid water transfer, which depend on presence of contact between surfaces and onthe shape of the air layers trapped within clothing and the body regions which are not equivalentin terms of sweating process. In this study, we propose a method to accurately determine the air gap thickness and the contactarea between clothing and the human body through an advanced analysis of 3D body scans of thenude and dressed body of a male manikin. This method allowed more accurate measurement ofthe air gap thickness and the contact area than other existing methods. Additionally, in two casestudies the effect of garment design and moisture gain in fabric combined with effects of bodypart, garment type and its overall and regional fit, fabric structure and fibre type were determined.Consequently, this method will contribute to a more realistic evaluation of heat and massexchange rates through clothing systems and provide more accurate input for ergonomic andcomfort design of clothing.

Le béton de chanvre est un matériau de construction biosourcé pouvant répondre aux problématiques environnementales actuelles. Utilisé comme matériau de remplissage avec une bonne capacité isolante, il possède également la capacité de réguler l'humidité relative intérieure. Son comportement hygrothermique complexe résulte notamment de performances thermiques et hydriques interdépendantes. La prédiction de ces effets est réalisée à l'aide de modélisation et simulation de transferts hygrothermiques. Toutefois, l'utilisation de données d'entrée les plus représentatives possibles de la réalité est nécessaire. Les méthodes de caractérisation courantes ont souvent été développées pour des matériaux conventionnels et peuvent montrer des limites dans le cas de matériaux biosourcés. L'objectif principal de ces travaux est de déterminer les propriétés hygrothermiques d'un bloc de béton de chanvre préfabriqués à l'échelle industrielle, de mieux appréhender cette caractérisation et de décrire son comportement hygrothermique via des simulations numériques. Le matériau étudié est formulé à partir d'un liant pouzzolanique et de granulats de chènevotte. Une partie de ce travail de thèse a donc porté sur la caractérisation des propriétés physiques, thermiques et hydriques du béton de chanvre étudié ainsi que sur les méthodes de mesure. Pour chaque paramètre hygrothermique étudié, plusieurs méthodes ont été confrontées afin d'en évaluer l'impact. Dans la mesure du possible, l'influence de la température et de l'humidité sur les différents paramètres a également été estimée. Un modèle de transferts hygrothermiques est proposé avec une évaluation d'ordre de grandeur dans le cas du béton de chanvre à partir des propriétés de la littérature. Ce modèle est appliqué à une étude expérimentale à l'échelle de la paroi, dans une enceinte bi-climatique, mettant en avant l'impact de la sorption et du changement de phase sur les transferts de chaleur. En ce qui concerne les propriétés thermiques, l'étude expérimentale à l'échelle du matériau met en évidence l'impact significatif du protocole expérimental sur le résultat de mesure, en particulier pour la chaleur massique. Pour les propriétés hydriques, les essais mettent en avant l'intérêt de réaliser une étude paramétrique de type round-robin sur les matériaux biosourcés. [...] / Hemp concrete is a bio-based construction material able to meet current sustainable issues. Used as filling and insulating material, it has the capacity to regulate the indoor relative humidity. Its complex hygrothermal behavior results on interdependent thermal and hydric performances. The prediction of the hygrothermal effect is performed through heat and moisture transfer modeling and simulation. However, the use of representative inputs is necessary. Standard characterization methods have often been developed for usual building material and can show some limitations in the case of bio-based material. The main objective of these works is to determine the hygrothermal properties of a precast hemp concrete produced at industrial scale, have a better understanding of this characterization and describe its hygrothermal behavior through numerical simulations. The studied material is based on pozzolanic binder and hemp aggregates. One part of this work deals with the characterization of the physical, thermal and hydric properties of the studied material and with the measurement methods. For each hygrothermal properties, several methods have been confronted. If possible, the temperature and humidity influences have been appraised. A heat and moisture transfer model is proposed with a scale analysis based on hemp concrete properties from the literature. This model has been applied to wall scale experiments highlighting the impact of sorption and phase change phenomena on the heat transfers. With regards to the thermal properties, the experimental study at material scale highlights the significant impact of the experimental protocol on the result of the measure, particularly for the specific heat capacity. For hydric properties, the studies put forward the interest of performing a parametric round-robin test dedicated to bio-based materials. An air permeability measurement protocol designed for regular concrete has been adapted in order to evaluate the performance of a very permeable material such as the hemp concrete. The numerical model is validated on a test from a standard and a test from the literature. It manages to describe test with usual ambient solicitations performed in the bi-climatic chamber.

L’objectif de la thèse a été de comprendre la dynamique protonique et l'adsorption d'eau dans de nouveaux matériaux poreux identifiés expérimentalement comme des candidats prometteurs pour des applications dans le domaine de la conduction protonique et du transfert de chaleur par adsorption. Dans ce contexte, des simulations à l’échelle électronique (Théorie de la fonctionnelle de la Densité) et atomique (Monte Carlo et Dynamique Moléculaire classique) ont permis (i) d’élucider les mécanismes de conduction protonique assistées par l’eau de deux matériaux hybrides de type MOFs, MIL-163(Zr) et KAUST-7', et d'un phosphate de titane, TiIVTiIV(HPO4)4 à l’origine de leurs performances exceptionnelles et (ii) d’interpréter les comportements d’adsorption de l’eau d’une série de matériaux hybrides CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) qui peuvent être modulées par la nature de leur centre métallique, la création de défauts et l’incorporation de sites de coordination insaturés. Cette connaissance fondamentale devrait permettre de voir émerger de façon plus efficace des matériaux pour les deux applications visées. / The objective of this PhD thesis was to gain insight into the proton dynamics and water adsorption mechanisms in novel porous materials that have been identified experimentally as promising candidates for low temperature proton conduction and adsorption-based heat reallocation-related applications. This was achieved by combining advanced computational tools at the electronic (Density Functional Theory) and atomic (force field_based Monte Carlo and Molecular Dynamics) levels to (i) reveal the water-assisted proton migration pathway through the pores of the hybrid metal organic frameworks MIL-163(Zr) and KAUST-7’and the inorganic phosphonate TiIVTiIV(HPO4)4 materials at the origin of their outstanding proton conduction performances and (ii) explain the water adsorption behaviors of a series of metal organic frameworks CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) that can be tuned by changing the nature of the metal center, creating defects and incorporating coordinatively unsaturated sites. Such a fundamental understanding is expected to pave the way towards a more efficient development of materials for the two explored applications.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude du mouvement d'inclusions solides en suspension dans un écoulement turbulent de canal isotherme et anisotherme par simulation numérique directe. Grâce à cet outil de simulation, nous avons pu analyser l'influence de l'inertie et du croisement de trajectoires sur les caractéristiques dynamiques et thermiques de la phase dispersée ainsi que sur celles du fluide vu au sein d'une turbulence non homogène. Cela pourra notamment faciliter le développement futur des modélisations euléro-lagrangienne et euléro-eulérienne dans ce type de turbulence. Nous avons essayé d'examiner au mieux la conséquence de ces effets sur les statistiques de la phase dispersée telles que la concentration, la moyenne et l'écart type de la vitesse, les covariances fluide-particules, les corrélations triples de la vitesse des particules. Parallèlement à cela, les caractéristiques du fluide vu par les particules ont été étudiées, nous nous sommes intéressés à la vitesse de dérive, aux tensions de Reynolds du fluide vu, et la décorrélation temporelle des fluctuations de la vitesse du fluide vu. En ce qui concerne la partie thermique, nous présentons les statistiques thermiques de la phase dispersée et du fluide vu par les particules au sein de l'écoulement anisotherme vertical descendant. Tous ces aspects sont développés en gardant à l'esprit le cadre général de cette étude, c'est-à-dire comprendre le comportement thermique de la phase dispersée et fournir des informations concernant des grandeurs importantes intervenant dans la modélisation de tels écoulements.

Les interactions hydrodynamiques sont souvent négligées dans le transport de particules à cause de leur complexité. Aux fortes concentrations, ces interactions se manifestent par une différence entre les cinématiques de ces particules et celle du fluide non perturbé contrairement aux hypothèses communément admises. Aujourd'hui, seuls de lourds calculs numériques (DNS) peuvent résoudre ces problèmes. Nous développons ici une méthode alternative, basée sur la matrice de résistance généralisée, appliquée au transport d'une particule cylindrique confinée. Pour la sédimentation, elle chute plus vite en position dissymétrique. En déterminant la cinématique de la particule en écoulement de Poiseuille nous montrons la non validité de l'hypothèse évoquée. Ensuite nous étudions les phénomènes de transferts sur le même cylindre. Selon la condition aux limites, on peut soit réduire, soit augmenter le flux sur le cylindre.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.

A compact air separator demonstrator based on centrifugally enhanced distillation has been studied. The full size device is meant to be used on board of a Two Stage To Orbit vehicle launcher. The air separation system must be able to extract oxygen in highly concentrated liquid form (LEA, Liquid Enriched Air) from atmospheric air. The LEA is stored before being used in a subsequent rocket propulsion phase by the second stage of the launcher. Two reference vehicles are defined, one with a subsonic first stage and one with a supersonic first stage. In both cases, oxygen collection is performed during a cruise phase (M 0.7 and M 2.5 respectively). The aim of the project is to demonstrate the feasibility of the air separation system, investigate the separation cycle design, and assess that the separator design selected is suitable for the reference vehicles. The project is described from original base ideas to design, construction, extended testing and analysis of experimental results. Preliminary computations for a realistic layout have been performed and the motivations for the choices made during the process are explained. Test rig design, separator design and technical discussion are provided for a subscale pilot unit. Mass transport parameters and flooding limits have been estimated and experimentally measured. Performance has been assessed and shown to be sufficient for the reference Two Stage To Orbit vehicles. The technology developed is found suitable without further optimization, although some volume and mass reduction would be desirable for the supersonic first stage concept. There are many ways of optimisation that can be further investigated. The aim of this program, however, is not to fully optimize the device, but to demonstrate that a device based on a simple, robust, low-risk design is already suitable for the launch vehicles. On top of that analysis, directions for improvements are suggested and their potentials estimated. A complete assessment of those improvements requires further maturation of the technological concept through further testing and practical implementations. Directions for future work, general conclusions and a vehicle development roadmap have also been provided.

L'huile minérale constitue le liquide isolant le plus communément employé dans les transformateurs de puissance d'une part pour ses propriétés physico-chimiques et d'autre part pour son faible coût et sa disponibilité. Cependant les performances de cette huile commencent à être limitées par rapport aux nouveaux critères. Pour palier à ce problème, deux solutions sont envisageables : trouver des liquides de substitution ou améliorer les propriétés de l'huile minérale. C'est à cette deuxième solution qu'est dédié ce travail. Il s'agit de trouver un mélange optimal d'huiles à base d'huile minérale, les additifs considérés étant des liquides isolants utilisés également dans les transformateurs tels que les huiles esters synthétiques et les huiles silicones. Des essais permettant d'analyser des caractéristiques fondamentales comme la miscibilité, la viscosité cinématique, la tenue diélectrique, la stabilité au vieillissement des huiles et des mélanges, et des mesures de tendance à la charge statique, ont été effectuées. Différents mélanges à différentes concentrations ont été étudiés. Pour des raisons techniques et économiques, l'accent est mis sur les mélanges composés de 80% d'huile minérale et 20% des autres types d'huile. Il ressort des différents essais réalisés que chaque type d'huile a un avantage. L'huile minérale est la plus efficace pour évacuer la chaleur de par sa faible viscosité, l'huile ester synthétique présente la meilleure tenue diélectrique de par sa haute solubilité de l'eau, et l'huile silicone est la plus stable au vieillissement. D'autre part, le mélange optimal obtenu se compose de 80% d'huile minérale et 20% d'ester synthétique. Ce mélange permet d'améliorer certaines caractéristiques de l'huile minérale sans toutefois dégrader ses bonnes propriétés, tout en restant dans un coût raisonnable. Il présente, par rapport à l'huile minérale seule, une aptitude à évacuer la chaleur pratiquement équivalente, une tenue diélectrique plus élevée, une meilleure stabilité au vieillissement et une tendance à la charge statique modérée.

Cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un banc de mesure pour la caractérisation thermique de la matière. Les techniques et instruments employés pour la mesure des propriétés thermo-physiques sont nombreux, évoluent constamment. Ils sont aujourd'hui encore le centre d'attention de multiples recherches. Ils sont néanmoins bien souvent adaptés préférentiellement à un état de la matière et à la mesure spéci fique d'un paramètre thermique. Le banc développé repose sur la méthode dite 3!, qui consiste à observer la réponse thermique fréquentielle d'un matériau soumis à un flux thermique harmonique. Cette technique met à pro t l'e et thermo-résistif qui accomplit la transduction du domaine thermique vers le domaine électrique. Elle permet alors de mesurer simplement les variations de température en fonction de la fréquence d'excitation donnant ainsi accès aux propriétés thermo-physiques du milieu étudié. Nous montrons que la méthode 3w permet eff ectivement d'une part de mesurer e fficacement la conductivité thermique, mais également d'estimer la capacité thermique isobare. De plus, alors qu'elle a été initialement introduite pour la caractérisation des solides, nous élargissons le champ d'application de cette technique, via un dispositif expérimental adapté, pour l'étendre aux autres états de la matière, à savoir les liquides et aux gaz. Le capteur proposé est fabriqué à l'aide des techniques de la micro-électronique et basé sur la technologie du silicium, ce qui permet de réduire fortement ses dimensions et o re des perspectives intéressantes en termes de miniaturisation et d'intégration