Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L'étude concerne l'analyse de l'encrassement dans un canal plan représentatif d'un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L'objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l'utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l'encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d'encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L'étude de la cinétique de l'encrassement permet de déterminer la loi de variation de l'épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L'apport du milieu poreux sur les performances de l'échangeur est analysé

Ce travail traite de la thermohydraulique d'un bain de melt couplée à la physicochimie pour ladescription du comportement de mélanges de matériaux (non-eutectiques).On décrit le transitoire d'établissement de température dans un liquide avec dégagement de puissancevolumique en présence de solidification sur une paroi refroidie. Le modèle développé à cet effet estvalidé par rapport aux résultats des essais LIVE réalisés à KIT. Dans les conditions de ces essais onmontre que la température d'interface suit la température liquidus (correspondant à la composition dubain liquide) pendant le transitoire d'établissement de la température dans le bain et des croûtessolides.Par ailleurs, on propose un modèle d'interaction entre un liquide non-eutectique (soumis à dissipationvolumique de puissance) et une paroi fusible dont la température de fusion est inférieure à latempérature liquidus du bain. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats des essaisARTEMIS 2D. On en déduit une nouvelle formulation de la température d'interface (inférieure àliquidus température) entre le liquide et la couche pâteuse en paroi.

Ce travail traite de la thermohydraulique d’un bain de melt couplée à la physicochimie pour ladescription du comportement de mélanges de matériaux (non-eutectiques).On décrit le transitoire d’établissement de température dans un liquide avec dégagement de puissancevolumique en présence de solidification sur une paroi refroidie. Le modèle développé à cet effet estvalidé par rapport aux résultats des essais LIVE réalisés à KIT. Dans les conditions de ces essais onmontre que la température d’interface suit la température liquidus (correspondant à la composition dubain liquide) pendant le transitoire d’établissement de la température dans le bain et des croûtessolides.Par ailleurs, on propose un modèle d’interaction entre un liquide non-eutectique (soumis à dissipationvolumique de puissance) et une paroi fusible dont la température de fusion est inférieure à latempérature liquidus du bain. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats des essaisARTEMIS 2D. On en déduit une nouvelle formulation de la température d’interface (inférieure àliquidus température) entre le liquide et la couche pâteuse en paroi. / This work deals with the thermal-hydraulics of a melt pool coupled with the physical chemistry for thepurpose of describing the behaviour of mixtures of materials (non-eutectic).Evolution of transient temperature in a liquid melt pool heated by volumetric power dissipation hasbeen described with solidification on the cooled wall. The model has been developed and is validatedfor the experimental results given by LIVE experiment, performed at Karlsruhe Institute ofTechnology (KIT) in Germany. Under the conditions of these tests, it is shown that the interfacetemperature follows the liquidus temperature (corresponding to the composition of the liquid bath)during the whole transient. Assumption of interface temperature as liquidus temperature allowsrecalculating the evolution of the maximum melt temperature as well as the local crust thickness.Furthermore, we propose a model for describing the interaction between a non-eutectic liquid meltpool (subjected to volumetric power dissipation) and an ablated wall whose melting point is below theliquidus temperature of the melt. The model predictions are compared with results of ARTEMIS 2Dtests. A new formulation of the interface temperature between the liquid melt and the solid wall(below liquidus temperature) has been proposed.

Pas de résumé / No abstract

Les instabilités de combustion induites par le couplage combustion-acoustique se produisent dans de nombreux systèmes industriels et domestiques tels que les chaudières, les turbines à gaz et les moteurs de fusée. Ces instabilités se traduisent par des fluctuations de pression et un dégagement de chaleur qui peuvent provoquer une défaillance mécanique ou des dégâts désastreux dans certains cas extrêmes. Ces phénomènes ont été largement étudiés par le passé, et les mécanismes responsables du couplage ont déjà été identifiés. Cependant, il apparaît que la plupart des systèmes se comportent différemment lors du démarrage à froid ou en régime permanent. Le couplage entre la température des parois et les instabilités de combustion reste encore méconnu et n’a pas été étudié en détail jusqu’à présent. Dans le cadre de ces travaux de thèse, on s’intéresse à ce mécanisme. Ces travaux présentent une étude expérimentale des instabilités de combustion pour une flamme laminaire de pré-mélange stabilisée sur un brûleur à fente. Pour certaines conditions de fonctionnement, le système présente un mode instable autour du mode de Helmholtz du brûleur. Il est démontré que l’instabilité peut être contrôlée, et même supprimée, en changeant uniquement la température de la surface du brûleur. Une analyse de stabilité linéaire peut être mise en œuvre afin d’identifier les paramètres jouant un rôle dans les mécanismes d’instabilité, et il est possible de modéliser analytiquement les phénomènes observés expérimentalement. Des études expérimentales détaillées de différents processus élémentaires impliqués dans le couplage thermo-acoustique ont été menées pour évaluer la sensibilité de ces paramètres à la température de la paroi. Enfin un modèle théorique du couplage entre le transfert de chaleur instationnaire à la paroi et la fluctuation du pied de flamme a été proposé. Par ailleurs, d’autres mesures expérimentales ont permis de comprendre les mécanismes physiques responsables de la dépendance de la réponse de la flamme à la température de paroi. / Combustion instabilities, induced by the resonant coupling of acoustics and combustion occur in many practical systems such as domestic boilers, gas turbine and rocket engines. They produce pressure and heat release fluctuations that in some extreme cases can provoke mechanical failure or catastrophic damage. These phenomena have been extensively studied in the past, and the basic driving and coupling mechanisms have already been identified. However, it is well known that most systems behave differently at cold start and in the permanent regime and the coupling between the temperature of the solid material and combustion instabilities still remains unclear. The aim of this thesis is to study this mechanism. This work presents an experimental investigation of combustion instabilities for a laminar premixed flame stabilized on a slot burner with controlled wall temperature. For certain operating conditions, the system exhibits a combustion instability locked on the Helmholtz mode of the burner. It is shown that this instability can be controlled and even suppressed by changing solely the temperature of the burner rim. A linear stability analysis is used to identify the parameters playing a role in the resonant coupling and retrieves the features observed experimentally. Detailed experimental studies of the different elementary processes involved in the thermo-acoustic coupling are used to evaluate the sensitivity of these parameters to the wall temperature. Finally a theoretical model of unsteady heat transfer from the flame root to the burner-rim and detailed experimental measurements permit to establish the physical mechanism for the temperature dependance on the flame response.

Un grand effort a été réalisé ces dernières années dans la compréhension du champ d'écoulement et du transfert de chaleur dans les canaux de refroidissement internes présents dans les pales de turbine. En effet, des systèmes de refroidissement avancés ont non seulement conduit à l'augmentation de l'efficacité de la turbine à gaz en augmentant la température d'entrée de la turbine au-dessus de la température de fusion du matériau, mais également en augmentant la durée de vie de la turbine. Pour permettre de tels progrès, des techniques expérimentales et numériques modernes ont été largement appliquées afin d'interpréter et d'optimiser l'aérodynamique et le transfert de chaleur dans les canaux de refroidissement internes. Cependant, les données disponibles sont limitées dans le cas des canaux de refroidissement internes dans les aubes de rotor de turbine. Les gradients de rotation et de température introduisent des forces de flottabilité de type Coriolis et centripète dans le référentiel rotatif, modifiant de manière significative l'aérothermodynamique par rapport aux passages stationnaires. Dans le cas des pales de rotor de turbine, la plupart des investigations sont soit basées sur des mesures ponctuelles, soit sont contraintes à des régimes de rotation faibles. L'objectif principal de ce travail est d'étudier le débit détaillé et le transfert de chaleur d'un canal de refroidissement interne à des conditions de fonctionnement dimensionnelles sans moteur représentatives. Ce travail introduit une section d'essai en laboratoire qui exploite des canaux à nervures sur un large éventail de nombres de Reynolds, de rotation et de flottabilité. Dans le présent travail, le nombre de Reynolds va de 15,000 à 55,000, le nombre de rotation maximum est égal à 0.77 et le nombre maximal de flottabilité est égal à 0.77. La nouvelle installation expérimentale consiste en une conception polyvalente qui permet l'interchangeabilité de la géométrie testée, de sorte que les canaux de différents rapports d'aspect et les géométries de nervure peut être facilement installé. La particle image velocimetry et la thermographie à cristaux liquides sont effectuées pour fournir des mesures précises de vitesse et de transfert de chaleur dans les mêmes conditions opératoires, ce qui conduit à un ensemble de données expérimentales unique. De plus, des simulations à grands virages sont réalisées pour donner une image de l'ensemble du champ d'écoulement et compléter les observations expérimentales. En outre, l'approche numérique vise à fournir une méthodologie robuste qui est capable de fournir des prédictions haute-fidélité de la performance des canaux de refroidissement internes. / A great effort has been carried out over the recent years in the understanding of the flow field and heat transfer in the internal cooling channels present in turbine blades. Indeed, advanced cooling schemes have not only lead to the increase of the gas turbine efficiency by increasing the Turbine Inlet Temperature above the material melting temperature, but also the increase of the turbine lifespan. To allow such progresses, modern experimental and numerical techniques have been widely applied in order to interpret and optimize the aerodynamics and heat transfer in internal cooling channels. However, the available data is limited in the case of internal cooling channels in turbine rotor blades. Rotation and temperature gradients introduce Coriolis and centripetal buoyancy forces in the rotating frame of reference, modifying significantly the aerothermodynamics from that of the stationary passages. In the case of turbine rotor blades, most of the investigations are either based on point-wise measurements or are constraint to low rotational regimes. The main objective of this work is to study the detailed flow and heat transfer of an internal cooling channel at representative engine dimensionless operating conditions. This work introduces a laboratory test section that operates ribbed channels over a wide range of Reynolds, Rotation and Buoyancy numbers. In the present work, the Reynolds number ranges from 15,000 to 55,000, the maximum Rotation number is equal to 0.77, and the maximum Buoyancy number is equal to 0.77. The new experimental facility consists in a versatile design that allows the interchangeability of the tested geometry, so that channels of different aspect ratios and rib geometries can be easily fitted. Particle Image Velocimetry and Liquid Crystal Thermography are performed to provide accurate velocity and heat transfer measurements under the same operating conditions, which lead to a unique experimental data set. Moreover, Large Eddy Simulations are carried out to give a picture of the entire flow field and complement the experimental observations. Additionally, the numerical approach intends to provide a robust methodology that is able to provide high fidelity predictions of the performance of internal cooling channels.

Les instabilités thermo-acoustiques se rencontrent fréquemment au sein des chambres de combustion de toute taille, de la petite chaudière au moteur de fusée. Ces instabilités sont causées par le couplage entre ondes acoustiques et dégagement de chaleur instationnaire. En effet, le passage d'une onde acoustique au travers d'une flamme va moduler son dégagement de chaleur qui, en retour, va générer de nouvelles ondes acoustiques. Lorsqu'une chambre de combustion entre en instabilité, d'importantes variations de pression sont observées ; ces fluctuations peuvent user prématurément le système ou altérer ses performances. L'étude des instabilités thermo-acoustiques a pour but d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes complexes afin de les prévenir. L'objectif de ce travail est d'obtenir et d'intégrer au sein de modèles réduits des descriptions précises de la dissipation acoustique – effet stabilisant - et d'interaction flamme/acoustique – effet déstabilisant. Cette étude se décompose en trois axes : La première partie développe le concept de « modèle acoustique réduit » qui permet de prédire les modes acoustiques d'une chambre de combustion. Pour cela, sont prises en compte les dissipations inhérentes à certaines pièces(diaphragmes, injecteurs, ...) ainsi que le couplage flamme/acoustique. Une fois le modèle établi, il convient d'en chercher les solutions à l'aide d'un solveur numérique spécialement conçu pour cette tâche. Dans une deuxième partie, un banc expérimental est utilisé pour caractériser le lien entre perte de charge et dissipation acoustique. Il est montré de manière théorique et expérimentale que la connaissance des pertes de charge au travers d'un élément permet de prédire son comportement acoustique à basse fréquence. La dernière partie concerne le couplage flamme/acoustique et plus spécifiquement l'influence de la température de l'accroche-flamme :une flamme pauvre pré-mélangée air/méthane est stabilisée sur un cylindre dont la température peut être contrôlée. Ainsi, il est montré que l'influence de la température du cylindre sur la flamme – position d'équilibre, dynamique et stabilité - est remarquable. / From small scale energy systems such as domestic boilers up to rocket motors, combustion chambers are often prone to combustion instabilities. These instabilities stem from the coupling of unsteady heat release rate and acoustic waves. This coupling is two sided: flame front perturbations generate acoustic waves while acoustic waves impinging on flame holders can disturb flames attached on them. Important pressure and velocity oscillations can be reached during unstable regimes, that can alter its efficiency or even damage the entire combustion chamber. One major challenge is to understand, predict, and prevent from these combustion instabilities. The objectives of this thesis are twofold: (1) take into account acoustic dissipation and (2)analyze flame/acoustic coupling to obtain Reduced Order Model (ROM) for combustion instabilities. This work is divided into three parts. First, the concept of ROM that gives the acoustic modes of a combustion chamber is introduced. This modeling strategy is based on the acoustic network theory and may take into account flame/acoustic coupling as well as acoustic dissipation. An efficient numerical algorithm dedicated to solve ROMs was designed on purpose and validated on several academical configurations. Second, an experimental rig was commissioned to study mean and acoustic pressure losses across a diaphragm and two swirl injectors. Results show that these two phenomena are linked and can be simply incorporated into ROMs. Finally, flame/acoustic coupling is investigated by using both direct numerical simulations and experiments: a lean premixed V-shaped laminar flame is anchored on a cylindrical bluff-body and we show that its temperature greatly influences the flame mean shape as well as its dynamics.

La distillation est une opération unitaire de séparation qui est largement utilisée. Toutefois, lorsque les volatilités des corps à séparer sont proches, le besoin en énergie de la colonne augmente, et l’efficacité énergétique du procédé de séparation diminue. Ainsi, la faiblesse de la distillation est son efficacité énergétique (au maximum 10 %). La réduction de la consommation énergétique des colonnes à distiller est donc un enjeu majeur dans le contexte énergétique actuel. Une des voies prometteuses est les colonnes à distiller dites HIDiC (Heat Integrated Distillation Column). Dans ce type de configuration, la colonne est scindée en deux colonnes : une colonne d’appauvrissement et une colonne d’enrichissement. La colonne d’appauvrissement opère à un niveau de pression plus faible que la colonne d’enrichissement. Un compresseur ainsi qu’une vanne de détente sont installés pour ajuster les niveaux de pression respectifs dans les deux parties. La différence de pression ainsi établie permet d’imposer une différence de températures qui offre la possibilité de transférer de l’énergie entre les deux colonnes par l’intermédiaire d’une technologie de transfert de chaleur. Dans un premier temps, l’objet de cette étude est de valider une nouvelle technologie de transfert thermique pour les colonnes concentriques HIDiC. Cette technologie innovante, Mousse métallique à cellules ouvertes, est caractérisée et validée en comparant avec un garnissage classique. Pour cela, un pilote expérimental de colonne concentrique contenant le garnissage structuré a été mis en oeuvre au laboratoire. Les résultats des mousses métalliques ont montré une performance thermique plus importante que le garnissage classique avec un gain moyen de 102 %. La conductance thermique des mousses métallique à cellules ouvertes obtenue expérimentalement est de 1285 W.K-1. Ces résultats confirment l’intérêt de l’utilisation du garnissage innovant dans les colonnes de distillation HIDiC en tant que technologie de transfert de chaleur. Dans un deuxième temps, un outil de simulation des colonnes HIDiC est développé dans le logiciel commercial ProSim Plus™®. Par rapport aux colonnes de distillation conventionnelles, les colonnes HIDiC possèdent des paramètres spécifiques tels que le rapport de pression et le profil d’échange de chaleur entre les deux sections de la colonne. Une procédure d’optimisation est élaborée afin d’obtenir une colonne HIDiC avec un coût total annuel « TAC » minimal et une distribution énergétique optimale. La méthode stochastique est adoptée avec un algorithme génétique « AG » ou l’initialisation des variables d’action n’est pas nécessaire. Deux études de cas sont effectuées. L’une est un système largement étudié dans la littérature, le mélange (Benzène/Toluène). La procédure de conception et d’optimisation est évaluée. Une réduction du TAC de 7,4 % et 13,9 % est obtenue par rapport aux précédents travaux de la littérature. L’autre étude de cas est un mélange binaire (Cyclohexane/n-Heptane). Les résultats de la simulation concernant les quantités d’énergie échangées de la colonne d’enrichissement vers la colonne d’appauvrissement sont validés en vérifiant la faisabilité du transfert thermique par la conductance thermique de la technologie innovante obtenue expérimentalement UA (W.K-1). / Distillation is the most applied separation technology. Its major drawback is the low thermodynamic efficiency (typically around 10 %). In response to environmental issues that concern energy consumption of distillation column, HIDiC (heat integrated distillation column) which combines advantages of vapor recompression and diabatic operation is expected to have a large impact on energy saving. The mixtures with close boiling point are confirmed to be the best candidates for HIDiC. In fact, in this configuration the rectifying section and the stripping section are separated. Heat is transferred inside the distillation column from the rectifying to the stripping section, because the operating pressure (and thus the temperature) of the rectifying section is increased by means of the compressor. First, a novel technology of heat and mass transfer between rectifying column and stripping column is characterized and validated on an experimental pilot. A concentric HIDiC which contains metal foam packing is designed. Compared to the Raschig Super-Ring results, the heat transfer in this structured packing is more efficient, with a gain up to 102 %. The obtained thermal conductance UA (W.K-1) of the innovative column packing is 1285 W.K-1. This confirms the purpose of open cell metal foams use in HIDiC as a heat transfer technology. Secondly, the aim of this study is to optimize the HIDiC sensitive parameters so as to minimize the Total Annual Cost (TAC). For this, a HIDiC simulation model is developed by using commercial software ProSim Plus™®. GA (Genetic Algorithm) is used to find the optimal HIDiC configuration where variables are optimized without initialization. Binary (Benzene/Toluene) separation case is examined for the evaluation of the proposed method. As a result, 7.4 % and 13.9 % TAC reductions are realized in comparison with the reported solutions in previous works. Binary (Cyclohexane/n-Heptane) is studied to evaluate the physical feasibility of heat transfer between rectifying and stripping column by the experimental thermal conductance (UA experimental [W.K-1]) of the innovative column packing.

Le travail présenté dans cette thèse comporte différents attrayant sujetsde l'optique comme les métamatériaux, l’optique transformationnelle, lescristaux photoniques, la réfraction négative et les interactions thermoplasmoniques.Nous avons développé plusieurs métamatériaux pour les plasmons desurface basés sur l'optique de transformation. Tout d'abord, nous avonsdémontré théoriquement, numériquement et expérimentalement certainsdispositifs mettant en scène le phénomène d’invisibilité.Deuxièmement, nous avons démontré la réfraction négative des plasmonsde surface en utilisant le concept d'espace de pliage (space folding) pourdes lentilles plates et anisotropes et enfin avec seulement desmétamatériaux diélectriques. Additionnellement, nous avons démontréqu’un damier structuré de films d'or peut exhiber une transmission extraordinairesur toute la gamme de fréquences visible.Enfin, nous avons étudié un problème multiphysique en mixant l'optiqueet thermique et leurs effets induits. Nous avons pu montrer que joueravec l'amplitude d'une onde électromagnétique ou une impulsion, peutinduire un gradient de température et le contrôle parfait d’un tel dispositifthermo-plasmonique. / The work which has been presented in this thesis includes differentappealing subjects of optics such as metamaterials, transformationaloptics, photonic crystals, negative refraction and thermo-plasmonicinteractions. In this manuscript we have developed several metamaterialsfor Surface Plasmon Polaritons based on the transformational optics.Firstly we have demonstrated theoretically, numerically andexperimentally some SPP cloaking devices. Secondly, we havedemonstrated SPP negative refraction using the concept of space foldingthen with some dielectric metamaterial, flat and anisotropic SPP lenses.Additionaly we have demonstrated that subwavelength checkerboardstructured thick gold films have demonstrated an extra-ordinarytransmission over the visble range of frequencies.Finally, we have investigated a general multiphysics problem to mix opticsand thermally induced effects. We have been able to show that playingwith the amplitude of an electromagnetic wave or a pulse, we can inducea gradient of temperature and control heat of a plasmonic device.

L'évaporation d'une goutte reposant sur un support plat semble être un système relativement simple à étudier et a fait l'objet d'études scientifiques depuis plus d'un siècle. Cependant, l'étude de l'évaporation de gouttes sessiles est toujours d'actualité aujourd'hui avec l'essor de nouvelles techniques de visualisation ou de l'apparition de nouveaux types de fluides complexes.Cette étude expérimentale sera focalisée sur deux aspects distincts :- L'étude sur l'évaporation de fluides purs permettra d'étudier la dynamique d'évaporation et les ondes hydrothermales qui apparaissent dans les gouttes de fluides volatils lors du changement de phase. L'influence du type de fluide (différents alcools et alcanes) et du niveau de gravité (terrestre, lunaire et martienne) seront étudiés. De plus, l'utilisation de différents niveaux de gravité permet de développer un modèle empirique afin de prendre en compte dans le modèle quasi-stationnaire limité par diffusion de la vapeur la convection naturelle qui augmente fortement le débit d'évaporation.- Si les fluides complexes présentent une dynamique de séchage similaire à celle des fluides purs, d'autres mécanismes entrent en jeux, comme la gélification, l'organisation des particules et l'apparition de craquelures (voir Figure 2). Le mouillage et les différents groupes fonctionnels graphés sur les particules seront étudiés en regard du motif final de craquelures. / Sessile droplets are widely found in day to day life: it might be a coffee spilt, rain onto a waterproof raincoat or again, water falling onto a cooking plate. However, despite the vast number of studies devoted to droplets for almost half a century, the fundamental phenomenon of the evaporation of sessile droplets is still a field that attracts a high level of interest due to its wide applicability and the development of new visualisation techniques or new types of complex fluids. This experimental study is focused two distinct aspects:- The evaporation of pure fluids has allow to study hydrothermal waves that appear in the droplets of volatile fluids during phase change. The influence of the type of fluid ---different alcohols and alkanes--- and the gravity levels ---Terrestrial, Lunar and Martian--- is investigated to have a better understanding of the flow motion inside droplet. Moreover, the use of different gravity levels allows to experimentally evidence the contribution of the atmospheric convective transport to sessile droplet evaporation. This investigation has allowed to develop an empirical model to take account of natural convection which greatly increases the evaporation rate in the quasi-steady diffusion-controlled evaporation model.- If complex fluids exhibit an evaporation dynamic similar to pure fluid, other mechanisms come into play, such as gelation, particles organisation and cracks formation. Wetting and different functional groups on the particles graphs will be studied in relation to the final pattern of cracks.