Les sources d'énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l'intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d'un système de stockage d'énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l'énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d'énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d'ordre élevé, implique l'intégration d'un système de quelques centaines à quelques milliers d'équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l'application d'une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d'ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d'ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l'adsorbeur.

Les voies sèches de valorisation du bois énergie sont de plus en plus exigeantes vis-à-vis de la qualité de la matière première et notamment quant à sa teneur en eau. Ainsi, une étape intermédiaire de préconditionnement, sur site industriel, tend à se développer. La mise en œuvre de séchoirs en continu est alors séduisante de par son faible coût et sa parfaite intégration dans la ligne de production. Cependant, elle n'est pas sans écueil : la variabilité de la biomasse et l'hétérogénéité des conditions climatiques au sein du séchoir rendent fastidieux le dimensionnement du séchoir et de la source de chaleur associée d'une part et la maximisation du flux matière d'autre part.Notre étude a pour ambition de développer un outil informatique d'aide à la conception et à l'optimisation de séchoirs en continu traversés par un lit condensé de particules de bois. Pour y parvenir, nous associons une approche expérimentale et une approche numérique du procédé. La démarche scientifique s'articule autour de deux échelles représentatives :- A l'échelle de la particule de bois, le modèle de Van Meel, reposant sur le concept de courbe caractéristique de séchage, est étendu : le couplage entre transferts de chaleur et de masse est rendu explicite. Nous disposons dès lors d'un modèle réactif et prédictif en conditions climatiques variables. Parallèlement, un premier dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules de bois isolées. Les données recueillies sont alors analysées en vue d'alimenter en paramètres et de valider le modèle semi-analytique ;- A l'échelle du séchoir, une modélisation double-échelle est adoptée pour tenir compte de l'évolution des conditions climatiques. Un soin particulier est apporté à la modélisation, se voulant être la plus proche possible des installations existantes : à ce titre, les transferts au niveau de la paroi du séchoir sont pris en compte, ainsi que la variabilité des particules de bois. Parallèlement, un second dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules disposées en lit. Les données recueillies sont alors confrontées aux simulations du modèle double-échelle.La validation du modèle s'étant révélée probante tant à l'échelle de la particule qu'à celle du séchoir, une utilisation du code pour l'aide à la conception et à l'optimisation d'installations industrielles a pu être envisagée. Ainsi, ce travail s'achève-t-il par deux études de cas à travers lesquelles nous explorons le potentiel du modèle pour maximiser le flux matière tout en garantissant la qualité du produit et l'efficacité énergétique du séchoir.

Pour faire face à la forte augmentation de la consommation en climatisation et la consommation électrique associée, il est nécessaire de développer des systèmes de rafraîchissement basse consommation de bâtiment. Ce travail propose un nouveau système de rafraîchissement qui se veut économe en énergie, peu coûteux et simple à installer. Il associe les techniques de dissipation de chaleur par évaporation, rayonnement vers le ciel et géothermie. Ce système est constitué d'un réservoir poreux installé en extérieur et d'un réservoir de stockage placé dans le vide sanitaire. Lorsque le bâtiment a besoin de rafraîchissement, une pompe puise de l'eau fraîche dans le stockage, la fait passer dans le plancher rafraîchissant pour absorber la chaleur excédentaire du bâtiment puis stocke l'eau dans le réservoir poreux placé à l'extérieur. Le réservoir poreux refroidit l'eau qu'il contient par évaporation, rayonnement vers le ciel puis se vide dans le stockage. Le réservoir de stockage installé dans le vide sanitaire se refroidit aussi en continu grâce au contact direct avec le sol. Les propriétés poreuses et la géométrie du réservoir poreux influent fortement sur ses performances de refroidissement. Une étude paramétrique menée avec un modèle numérique simulant les transferts hydriques et thermique permet de choisir un réservoir adéquat pour cette application. Un réservoir poreux donnant de bonnes performances (70 W/m2 de puissance évaporative) a été identifié. Le système de rafraîchissement a été installé et testé expérimentalement sur une maison à échelle réelle à Bordeaux. Mis en service durant l'été 2015, le système a fonctionné de façon autonome durant 44 jours. L'utilisation de ce système a permis de maintenir durant la période de test un très bon confort thermique à l'intérieur d'un bâtiment expérimental bien isolé, non ventilé, avec des apports solaires, tout en ayant une consommation électrique faible (le COP moyen du système est de 20.8). Un modèle numérique du système complet a été développé sous Modelica, calibré sur les mesures expérimentales puis couplé à un modèle de bâtiment. Les résultats de simulation montrent que l'installation de ce système améliore nettement le confort intérieur du bâtiment sur l'ensemble de l'été pour toutes les configurations testées (climat, gestion des voletsdots). Un système aux dimensions optimisées (avec un stockage de 2.2 m3 et un réservoir poreux de 0.215 m3), installé sur une maison individuelle type RT2012 de 100 m2 à Bordeaux, fonctionne avec un COP moyen de 24 et permet de maintenir un bon niveau de confort à l'intérieur du bâtiment tout l'été. / To face the dramatic increase of energy consumption due to air conditioning use in buildings, new low energy consumption systems need to be developed. This work proposes a new cooling system which aims to be energy efficient, cheap and easy to install. This system takes advantage of evaporation cooling, ground earth cooling and sky radiative cooling techniques. The two main components of this new system are a porous tank set outside and a storage tank set in the basement of the building. When the inside house temperature exceeds the comfort temperature, cool water passes from the storage tank through the cooling floor, removes heat from the building and is then send to the porous tank. The water contained in the porous tank is cooled down due to evaporation and radiative effects and then flows back to the storage. The storage tank installed in the basement enables further cooling of the water thanks to direct contact with the ground. Porous properties and geometry of the tank have a great influence on the cooling performances of the tank. A heat and mass transfer model has been developed to simulate the thermal and hydric behavior of the tank. This model has been used to choose an appropriate tank. A tank giving good performances (70 W/m2 of evaporative power) is identified. The complete cooling system has been installed on a house in Bordeaux and tested at real scale during an experimental campaign. The system worked for 44 days during summer 2015 and allowed to maintain a very good thermal comfort level in the experimental building (insulated, with solar load and without ventilation). Its very low electricity needs brings the average coefficient of performance of the system to 20.8. A numerical model of the system has been developed, calibrated with experimental data and coupled with a building model. Simulation results show that for all tested configurations (climate, shading…), the system clearly improves the thermal comfort in the building. Optimized sizing, keepinp reasonnable tank sizes (storage and evaporator volumes of 2.2 m3 and 0.215 m3 respectively), shows that this system works with an average COP of 24 and maintains a good comfort level in an individual house of 100 m2 located in Bordeaux.

Le procédé VAR (Vacuum Arc Remelting ou refusion à l'arc sous vide en français) est employé dans la production d'alliages à haute performance pour les industries aéronautique (aciers spéciaux, superalliages et alliages de titane) et nucléaire (alliage de zirconium). Comme pour tous les procédés de fonderie, la maîtrise de l'homogénéité chimique et de la structure métallurgique des lingots coulés par le procédé VAR constitue un enjeu industriel important. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à identifier, pour les alliages de zirconium en particulier, les effets de la convection naturelle et de la convection forcée due au brassage électromagnétique sur la macroségrégation. Dans ce but, un modèle numérique a été développé. Il est basé sur la résolution couplée des équations de conservation d'énergie, de quantité de mouvement et de solutés, dans des conditions d'écoulement laminaire ou turbulent. La modélisation de la solidification tient compte du couplage fort entre le transport d'énergie et de solutés dans la zone pâteuse. Afin de décrire la microségrégation, la diffusion restreinte des solutés dans les phases liquides et solides peut être prise en compte. Parallèlement, deux électrodes chimiquement homogènes d'alliages Zircaloy-4 et M5® ont été spécialement refondues dans un four VAR industriel sur le site de CEZUS à Ugine (Savoie, France). La macroségrégation des lingots obtenus a été caractérisée.La comparaison entre les mesures expérimentales et les résultats de simulation a montré que pour un alliage dont l'intervalle de solidification est important (comme l'alliage Zircaloy-4), la convection solutale dans la zone pâteuse peut avoir une influence essentielle sur la macroségrégation de la région centrale du lingot. Par ailleurs, le mouvement de grains équiaxes lors de l'application d'un brassage électromagnétique de forte intensité semble accentuer significativement la macroségrégation dans la région externe du lingot. Pour un alliage dont l'intervalle de solidification est faible (comme l'alliage M5®), nous avons montré que la macroségrégation dépend plus spécifiquement de la convection forcée due au mode de brassage électromagnétique appliqué au cours de la refusion / Vacuum Arc Remelting (VAR) is used to produce high performance alloys for the aeronautic (special steels, superalloys, titanium alloys) and nuclear (zirconium alloys) industries. As for all casting processes, the control of the chemical homogeneity and the metallurgical structure in VAR ingots is an important industrial issue. The goal of this thesis is to identify, for zirconium alloys in particular, the effects of the natural convection and the forced convection due to the electromagnetic stirring on macrosegregation. To this purpose, a numerical model has been developed. It is based on the solution of the coupled transient energy, momentum and solute transport equations, under laminar or turbulent flow conditions. The solidification modeling accounts for a full coupling between energy and solute transport in the mushy zone. The finite diffusion of solutes in both solid and liquid phases can be taken into account to describe microsegregation. In addition, chemically homogeneous Zircaloy-4 and M5® electrodes have been specially remelted in an industrial VAR furnace at the CEZUS plant in Ugine (Savoie, France). The macrosegregation of the ingots has been measured. The comparison between the experimental measurements and the simulation results showed that for an alloy with a large solidification interval (like Zircaloy-4), the solutal convection in the mushy zone could have an essential influence on the macrosegregation in the inner part of the ingot. Furthermore, the motion of equiaxed grains caused by a strong stirring seems to seriously intensify macrosegregation in the outer part of the ingot. For an alloy with a small solidification interval (like M5®), we have shown that the macrosegregation depends more specifically on the forced convection due to the type of stirring applied during the remelting

Les transferts d’humidité dans les matériaux de construction ont une influenceimportante sur leur durabilité et sur les performances hygriques et thermiques desbâtiments. De nombreux mécanismes d’endommagement chimiques et physiquesde ces matériaux sont en effet dus à l’infiltration d’eau. En conséquence, leur structureporeuse peut évoluer au cours du temps, et des fissures microscopiques commemacroscopiques peuvent s’y développer. La description des matériaux à l’échelle microscopiqueest cependant une source d’erreur importante dans les codes de simulationactuels des transferts d’humidité et de chaleur, notamment en raison du faitque lesmilieux sont considérés comme homogènes, et que les effets du vieillissementdes matériaux sont négligés. Il importe donc de trouver un moyen d’inclure les effetsde l’endommagement dans les simulations de transferts d’humidité et de chaleurà l’échelle du bâtiment. Des méthodes existent pour la prédiction du comportementde milieux soumis à des sollicitations hygriques et mécaniques, mais supposent quel’ensemble des facteurs extérieurs influant sur l’endommagement soient connus toutau long des simulations.Une nouvelleméthodologie est proposée ici pour compléter ces approches prédictives,en combinant des mesures expérimentales d’endommagement avec la simulationde transferts couplés d’humidité et de chaleur. Une étude préliminaire a d’abordété menée, consistant à mesurer la perméabilité vapeur équivalente d’éprouvettes demortier multi-fissurées. Cette démarche a permis d’identifier les besoins expérimentauxet numériques de la suite du travail, visant à modéliser les écoulements dans unréseau discret de fissures sur la base de leur caractérisation. Une méthodologie expérimentalecombinant corrélation d’images numériques et émissions acoustiques aensuite été développée, permettant de disposer de cartographies d’endommagementet de proposer une démarche pour lamesure de réseaux de fissures dans lesmatériauxde construction en place. La méthode optique, associée à une procédure de traitementd’images, a permis de disposer de données précises de la géométrie de réseauxde fissures. De plus, une méthode a été proposée pour permettre l’interprétation desmesures d’émissions acoustiques en termes de quantification, localisation et identificationdes phénomènes d’endommagement.Un code de simulation a ensuite été écrit, permettant d’intégrer ces mesures defissuration dans la modélisation des écoulements couplés d’humidité et de chaleuren milieu poreux. Ce modèle a été validé sur la base de mesures expérimentales : lacorrélation d’images numériques a été appliquée durant la fracturation d’éprouvettesde béton, dans lesquelles l’infiltration d’eau a ensuite été suivie par radiographie auxrayons X. Les résultats numériques obtenus sont en bonne conformité avec lesmesuresexpérimentales en termes de prédiction de la concentration d’eau en deux dimensions.Enfin, laméthodologie a été appliquée à une série de cas test, dans le but demodéliserles performances hygrothermiques de parois multi-couches, incluant des matériauxendommagés, soumises à des conditions climatiques réelles. On a ainsi pu estimer les conséquences potentielles de l’endommagement sur l’accumulation d’eau dans desparois, sur l’amplitude des cycles de sorption et de séchage, ainsi que sur les transfertsthermiques. / An importantmatter in the field of building physics is the questioning of how wellbuildings sustain ageing, and how their overall efficiency evolves over their lifetime.Many causes for degradation are carried by moisture transfer through these porousmaterials. Indeed, infiltratedwatermay transport chemicals, altermechanical properties,and cause freeze thaw damage or mould development. It may also affect thermalproperties and energetic efficiency, as well as the health and comfort of the occupants.The understanding of how moisture transfer properties evolve during the lifespan ofbuildingmaterials is however far fromcomplete. The pore structure of amaterial itselfmay change over time, or be altered by cracks and defects caused bymechanical loadingand aggravated bymoisture-induced degradation. All sizes of fracturesmay have astrong impact on heat and moisture flow in the building envelope, and their influenceis to be accounted for in any long-termperformance assessment, not only of buildingand building components,but of any built structure in general. A considerable amountof work has already been performed in order to allow predicting the hygrothermal behaviourof buildings over longer periods of time. However, an accurate prediction of allranges of damage in a building component, from microscopic to macroscopic cracks,supposes an extensive knowledge of all damage-inducing, time-varying boundary conditionsof the problem during the simulation time. This also implies high computationalcosts, as well as important needs formaterial characterisation.As a complement to these predictive methods, a new approach was undertaken,combining experimental characterisation of crack patterns and numerical simulationsof coupled heat and moisture transfer. First, a preliminary study was conducted, consistingof measurements of the water vapour permeability of diffusely damaged constructionmaterials.This allowed identifying the experimental and numerical requirementsof the remainder of the work, which aimed at providing measurements of fracturenetwork geometries for their explicitmodelling in heat andmoisture transfer simulations.Digital image correlation and acoustic emission monitoring were then performedduring the degradation of cementitiousmaterials, in order to obtain quantitativedata on crack pattern geometries, and to assess the possibilities for damagemonitoringat the building scale. The optical technique, along with an appropriate imageprocessing procedure, was found suitable for providing precisemeasurements of fracturenetworks. Amethodwas also proposed for the interpretation of acoustic emissionrecordings in terms of damage quantification, localisation and identification.Then, a newmodel for coupled heat andmoisturemodelling in cracked porousmediawas developed, that allows including such measurements of fracture patterns intoa finite element mesh, and simulating flow accordingly. This model was validated onthe basis of experimentalmeasurements: digital image correlationwas performed duringthe fracturing of concrete samples, in which moisture uptake was then monitoredusing X-ray radiography. A good accordance was found between experimental and numericalresults in terms of 2-dimensional moisture concentration distributions. The validated code was then used for the simulation of test cases, in order to assess the hygrothermalperformance of damagedmulti-layered building components subjected toreal climatic conditions. The consequences of fractures on themoisture accumulationin walls, on the amplitude of sorption/desorption cycles and on the thermal performance,were observed.

La friture profonde de type batch a été étudiée dans le projet FUI Fry’In (Réf. AAP17, 2014-2018) dans le but de proposer des innovations de rupture pour des friteuses batch domestiques et professionnelles. La thèse a appuyé le projet sur la maîtrise de deux effets négatifs de la friture : i) la thermo-oxydation de l’huile responsable des mauvaises odeurs et produits de dégradation ainsi que ii) la prise d’huile généralement favorisée au détriment de son égouttage. L’étude a été réalisée en combinant des mesures directes (spectroscopie et imagerie infrarouges en mode ATR, photo-ionisation, mesures DSC, imagerie rapide…) et modélisation multi-échelle (écoulement de l’huile et égouttage lors du retrait, description lagrangienne des réactions en présence d’un écoulement, couplage avec les ciné-tiques de dissolution de l’oxygène). La complexité du processus de thermo-oxydation a été réduite en considérant les hydroperoxydes comme une forme de stockage organique de l’oxygène, qui propage l’oxydation dans des régions en anoxie. Leur décomposition produit de nombreux composés de scission, dont la nature est influencée par les conditions locales de température et de concentration en oxygène. La prise d’huile a été décrite comme le bilan net entre l’huile charriée au moment du retrait et l’huile égouttée. L’égouttage a été étudié sur des barreaux métalliques et des produits réels. Il se conduit à la formation de quatre à huit gouttes en quelques secondes. Les cinétiques de drainage anisothermes ont été prédites par un modèle mécanistique. Le mécanisme spécifique de prise d’huile en cours de friture a été aussi analysé ; il se produit uniquement dans le cas des produits préfrits congelés. / Batch deep-frying has been investigated within the collaborative project FUI Fry’In (ref. AAP17, 2014-2018) with the aim of proposing breakthrough innovations for small and medium size appliances. The PhD thesis was part of the project and focused on two specific adverse effects of deep-frying on food products: oil thermo-oxidation responsible for break-down products and off-flavors, and oil pickup process usually favored relatively to oil dripping. The work was carried out by combing direct measurements (FTIR-ATR spectroscopy and imaging, photoionization, DSC measurements, fast imaging…) and multiscale modeling (oil flow and oil dripping during product re-moval, Lagrangian description of reactions in aniso-thermal flows, coupling with oxygen dissolution kinetics). The complex problem of thermo-oxidation was split into simpler mechanisms by noticing that hydroperoxides are a kind of long-lived form of or-ganic oxygen, which trigger propagation in deep re-gions under anoxia. Their decomposition lead to various scission products, which were shown to be in-fluenced by both local temperature and oxygen con-centration. Oil uptake was described as the net balance between the amount of dragged oil during product removal and oil dripping at the tips of the product. The dripping process studied on both metal-lic sticks and real products occurs in less than few seconds and leads to a formation of four to eight drop-lets. The detailed drainage kinetics in anisothermal conditions were captured and predicted with the pro-posed mechanistic models. The specific mechanism of oil uptake during the immersion stage was eluci-dated and was shown to occur only in parfried frozen products.

Les conséquences liées à la présence de gradients thermiques sur le transfert de matière en milieu poreux sont encore aujourd’hui mal appréhendées, essentiellement en raison de la complexité induite par la présence de phénomènes couplés (thermodiffusion ou effet Soret). Le but de cette thèse est d’étudier et de comprendre l’influence que peut avoir un gradient thermique sur l’écoulement d’un mélange. L’objectif principal est de déterminer les coefficients effectifs modélisant les transferts de chaleur et de matière en milieux poreux, et en particulier le coefficient de thermodiffusion effectif. En utilisant la technique de changement d’échelle par prise de moyenne volumique nous avons développé un modèle macroscopique de dispersion incluant la thermodiffusion. Nous avons étudié en particulier l'influence du nombre de Péclet et de la conductivité thermique sur la thermodiffusion. Les résultats ont montré que pour de faibles nombres de Péclet, le nombre de Soret effectif en milieu poreux est le même que dans un milieu libre, et ne dépend pas du ratio de la conductivité thermique (solide/liquide). À l'inverse, en régime convectif, le nombre de Soret effectif diminue. Dans ce cas, un changement du ratio de conductivité changera le coefficient de thermodiffusion effectif. Les résultats théoriques ont montré également que, lors de la diffusion pure, même si la conductivité thermique effective dépend de la connectivité de la phase solide, le coefficient effectif de thermodiffusion est toujours constant et indépendant de la connectivité de la phase solide. Le modèle macroscopique obtenu par cette méthode est validé par comparaison avec des simulations numériques directes à l'échelle des pores. Un bon accord est observé entre les prédictions théoriques provenant de l'étude à l’échelle macroscopique et des simulations numériques au niveau de l’échelle de pores. Ceci démontre la validité du modèle théorique proposé. Pour vérifier et consolider ces résultats, un dispositif expérimental a été réalisé pour mesurer les coefficients de transfert en milieu libre et en milieu poreux. Dans cette partie, les nouveaux résultats expérimentaux sont obtenus avec un système du type « Two-Bulb apparatus ». La diffusion et la thermodiffusion des systèmes binaire hélium-azote et hélium-dioxide de carbone, à travers des échantillons cylindriques remplis de billes de différents diamètres et propriétés thermiques, sont mesurées à la pression atmosphérique. La porosité de chaque milieu a été déterminée par la construction d'une image 3D de l'échantillon par tomographie. Les concentrations sont déterminées par l'analyse en continu de la composition du mélange de gaz dans les ampoules à l’aide d’un catharomètre. La détermination des coefficients de diffusion et de thermodiffusion est réalisée par confrontation des relevés temporels des concentrations avec une solution analytique modélisant le transfert de matière entre deux ampoules. Les résultats sont en accord avec les résultats théoriques. Cela permet de conforter l’influence de la porosité des milieux poreux sur les mécanismes de diffusion et de thermodiffusion. / A multicomponent system, under nonisothermal condition, shows mass transfer with cross effects described by the thermodynamics of irreversible processes. The flow dynamics and convective patterns in mixtures are more complex than those of one-component fluids due to interplay between advection and mixing, solute diffusion, and thermal diffusion (or Soret effect). This can modify species concentrations of fluids crossing through a porous medium and leads to local accumulations. There are many important processes in nature and industry where thermal diffusion plays a crucial role. Thermal diffusion has various technical applications, such as isotope separation in liquid and gaseous mixtures, identification and separation of crude oil components, coating of metallic parts, etc. In porous media, the direct resolution of the convection-diffusion equations are practically impossible due to the complexity of the geometry; therefore the equations describing average concentrations, temperatures and velocities must be developed. They might be obtained using an up-scaling method, in which the complicated local situation (transport of energy by convection and diffusion at pore scale) is described at the macroscopic scale. At this level, heat and mass transfers can be characterized by effective tensors. The aim of this thesis is to study and understand the influence that can have a temperature gradient on the flow of a mixture. The main objective is to determine the effective coefficients modelling the heat and mass transfer in porous media, in particular the effective coefficient of thermodiffusion. To achieve this objective, we have used the volume averaging method to obtain the modelling equations that describes diffusion and thermodiffusion processes in a homogeneous porous medium. These results allow characterising the modifications induced by the thermodiffusion on mass transfer and the influence of the porous matrix properties on the thermodiffusion process. The obtained results show that the values of these coefficients in porous media are completely different from the one of the fluid mixture, and should be measured in realistic conditions, or evaluated with the theoretical technique developed in this study. Particularly, for low Péclet number (diffusive regime) the ratios of effective diffusion and thermodiffusion to their molecular coefficients are almost constant and equal to the inverse of the tortuosity coefficient of the porous matrix, while the effective thermal conductivity is varying by changing the solid conductivity. In the opposite, for high Péclet numbers (convective regime), the above mentioned ratios increase following a power law trend, and the effective thermodiffusion coefficient decreases. In this case, changing the solid thermal conductivity also changes the value of the effective thermodiffusion and thermal conductivity coefficients. Theoretical results showed also that, for pure diffusion, even if the effective thermal conductivity depends on the particle-particle contact, the effective thermal diffusion coefficient is always constant and independent of the connectivity of the solid phase. In order to validate the theory developed by the up-scaling technique, we have compared the results obtained from the homogenised model with a direct numerical simulation at the microscopic scale. These two problems have been solved using COMSOL Multiphysics, a commercial finite elements code. The results of comparison for different parameters show an excellent agreement between theoretical and numerical models. In all cases, the structure of the porous medium and the dynamics of the fluid have to be taken into account for the characterization of the mass transfer due to thermodiffusion. This is of great importance in the concentration evaluation in the porous medium, like in oil reservoirs, problems of pollution storages and soil pollution transport. Then to consolidate these theoretical results, new experimental results have been obtained with a two-bulb apparatus are presented. The diffusion and thermal diffusion of a helium-nitrogen and helium-carbon dioxide systems through cylindrical samples filled with spheres of different diameters and thermal properties have been measured at the atmospheric pressure. The porosity of each medium has been determined by construction of a 3D image of the sample made with an X-ray tomograph device. Concentrations are determined by a continuous analysing the gas mixture composition in the bulbs with a katharometer device. A transient-state method for coupled evaluation of thermal diffusion and Fick coefficients in two bulbs system has been proposed. The determination of diffusion and thermal diffusion coefficients is done by comparing the temporal experimental results with an analytical solution modelling the mass transfer between two bulbs. The results are in good agreement with theoretical results and emphasize the porosity of the medium influence on both diffusion and thermal diffusion process. The results also showed that the effective thermal diffusion coefficients are independent from thermal conductivity ratio and particle-particle touching.

Cette thèse apporte des éléments sur la compréhension de la gestion de l'eau et de ses effets sur les performances électriques d'une PEMFC au moyen de modélisations multi-échelle des transferts. Une analyse du transport couplé de charges et de matière dans les pores de la membrane est proposée. La présence d'eau liquide est prise en compte dans les GDL (écoulements diphasiques) et les couches actives (noyage). Le couplage de ces modèles à une description des transferts de matière le long des canaux d’alimentation permet de mettre en évidence une répartition non-uniforme des concentrations en eau, des flux et donc de la densité de courant. Les résultats numériques sont comparés à des données expérimentales (coefficient de partage de l'eau et performance électrique locale) obtenues au laboratoire sur deux piles. Ceci permet de valider les modèles de fonctionnement du cœur de pile et d'alimenter la réflexion sur la connaissance et la modélisation des transferts d'eau dans le cœur de pile / This works contributes to the understanding of water management of polymer electrolyte membrane fuel cell and of its links with the electrical performances. More specifically, the manuscript deals with the multi-scale modelling of transport phenomena. An analysis of coupled mass and charge transfer in the pores of a polymer membrane is presented. The presence of liquid water is considered in the GDL (two-phase flow) and in the active layers (flooding). The description of these phenomena is associated with that of gas depletion along the bipolar plate channels. This allows to emphasize the non-uniformity of water concentration, of the fluxes and as a consequence, of current density. The numerical results are compared with experimental data (water transport coefficient, local electrical performances) measured on two different fuel cells. This comparison validates at least partially the numerical models and provides further information for the analysis of water management within PEMFC

Le procédé de refusion sous laitier électroconducteur (Electro Slag Remelting ou ESR) est aujourd’hui largement utilisé pour la production d’alliages métalliques à haute valeur ajoutée, comme les aciers spéciaux ou les superalliages base nickel. La modélisation mathématique et la simulation numérique du procédé ESR présentent un grand intérêt puisque les études expérimentales sur installations industrielles sont coûteuses et souvent difficiles à mettre en oeuvre. Ainsi, afin d’améliorer la compréhension et la maîtrise de la conduite d’une refusion, un modèle prédictif a été développé dans le cadre de cette étude. Il décrit les transferts couplés de chaleur et de quantité de mouvement lors de la croissance et de la solidification d’un lingot, en géométrie axisymétrique. La résolution des équations est basée sur une approche de type volumes finis. Le modèle tient compte de l’effet Joule dans le laitier résistif, des forces électromagnétiques et de la turbulence éventuelle de l’écoulement des phases liquides. La zone pâteuse est traitée comme un milieu poreux. Le modèle permet notamment de prédire la formation de la peau de laitier solide qui entoure le laitier et le lingot. Par ailleurs, il offre l’avantage de simuler le comportement du lingot et du laitier après la coupure finale du courant.Le développement s’est accompagné d’une importante étape de validation. Quatre refusions à l’échelle industrielle ont ainsi été réalisées à l’aciérie des Ancizes (Aubert&Duval). Les observations expérimentales ont ensuite été confrontées aux résultats du calcul. La comparaison a montré que le modèle peut être utilisé afin de prédire le comportement du procédé, à condition d’accorder une attention particulière à l’estimation des propriétés thermophysiques du métal, et surtout du laitier. Enfin, afin d’illustrer l’utilisation du modèle comme support à la compréhension du procédé, nous avons étudié l’influence de la variation de paramètres opératoires tels que la profondeur d’immersion de l’électrode, le taux de remplissage ou la pression de l’eau de refroidissement. / Electro Slag Remelting (ESR) is widely used for the production of high-value-added alloys such as special steels or nickel-based superalloys. Because of high trial costs and complexity of the process, trial-and-error based approaches are not well suitable for fundamental studies and optimization of the process.Consequently, a transient-state numerical model which accounts for electromagnetic phenomena and coupled heat and momentum transfers in an axisymmetrical geometry has been developed. The model simulates the continuous growth of the electroslag remelted ingot through a mesh-splitting method. In addition, solidification of the metal and slag is modelled by an enthalpy-based technique. A turbulence model is implemented to compute the motion of liquid phases (slag and metal), while the mushy zone is described as a porous medium whose permeability varies with the liquid fraction, thus enabling an accurate calculation of solid/liquid interaction. The coupled partial differential equations are solved using a finite-volume technique.Computed results are compared to experimental observation of 4 industrial remelted ingots fully dedicated to the model validation step. Pool depth and shape are particularly investigated in order to validate the model. Comparison shows that the model can be used as a predictive tool to analyse the process behavior. Nevertheless, it is necessary to pay a particular attention to the estimation of the thermophysical properties of metal and especially slag.These results provide valuable information about the process performance and influence of operating parameters. In this way, we present some examples of model use as a support to analyse the influence of operating parameters. We have studied the variation of electrode immersion depth, fill ratio and water pressure in the cooling circuit.

Ce travail concerne la modélisation numérique et expérimentale de la variabilité des propriétés thermo-hydriques de matériaux cimentaires en vue de l’évaluation de son impact sur la prédiction du comportement hygrothermique de parois de bâtiments. Une approche probabiliste qui prend en compte la variabilité spatiale des propriétés de matériaux lors des transferts couplés de chaleur et d’humidité a été développée. Elle est basée sur la génération, par la décomposition modale de Karhunen-Loève, de champs aléatoires spatialement corrélés. Une implémentation d’un modèle de transfert hygrothermique dans un code de simulation numérique a été ensuite réalisée en adoptant cette démarche stochastique. Cette dernière, qui considère comme variables d’entrée des champs aléatoires, permet de quantifier l’incidence de cette variabilité sur le comportement hygrothermique d’une paroi de bâtiment. Une étude préalable, dédiée à l’évaluation de l’incidence de la variabilité aléatoire du coefficient de diffusion, a été entreprise en considérant une variabilité de ±30% pour un mortier et de ±20% pour un BHP suivant une loi de distribution normale. Aussi, nous avons relevé un certain nombre d’incertitudes possibles de la teneur en eau à saturation tout en montrant leurs effets sensibles sur le résultat de la prédiction du comportement hygrothermique. Ces études ont permis de mettre en exergue l’importance de la prise en compte des incertitudes sur les données du matériau lors des simulations numériques des transferts hygrothermiques. Sur le plan expérimental, une campagne d’évaluation de la variabilité spatiale des paramètres les plus influents a été menée. Cette campagne a été réalisée sur un voile de dimension 2x1,2 m fabriqué au laboratoire. À l’issue de ce programme expérimental, l’espérance, la variance et la longueur de corrélation des propriétés étudiées (porosité à l’eau, perméabilité à la vapeur, isotherme de sorption et perméabilité au gaz) ont été déterminées. Ces trois paramètres sont indispensables pour la bonne mise en œuvre de la décomposition de Karhunen-Loève. Aussi, une autre campagne de caractérisation expérimentale a été menée sur des pâtes de ciment, mortiers et béton. Elle a été divisée en trois grandes parties selon les propriétés étudiées : (i) Les propriétés microstructurales et d’hydratation où l’on retrouve les mesures des porosités à l’eau et au mercure ainsi que les distributions de la taille des pores et une analyse de l’effet du taux d’hydratation de matériaux cimentaires sur leurs propriétés hygrothermiques. (ii) Les propriétés hydriques : dans cette partie, une analyse sous différents angles (évolution en fonction de l’âge des matériaux, en fonction de la température, effet des constituants des matériaux, etc.) a été réalisée sur les isothermes de sorption et sur la perméabilité à la vapeur d’eau. (iii) Les propriétés thermiques où des mesures de conductivités thermiques et de chaleurs spécifiques ont été effectuées. Les résultats de l’étude ont mis en exergue les limites des approches déterministes suite à leurs confrontations avec les résultats obtenus par l’approche probabiliste, mise en œuvre dans le cadre du présent travail. / This study deals with the experimental and the numerical modeling of the variability properties of cement based materials to evaluate their effects on the prediction of hygrothermal behavior of building envelops. A probabilistic approach taking into account the spatial variability of the materials properties during the coupled heat and mass transfer has been developed. It is based on the generation of spatially correlated random fields by the Karhunen Loève decomposition. The stochastic model’s program has been implemented in a numerical simulation code. Using this tool that considers the input variables as random fields, the impact of this variability on the hygrothermal behavior of building envelops was quantified. A prior study dealing with the assessment of the effect of the diffusion coefficient random variability was carried out by considering a variation of ±30% for mortar and ±20% for high performance concrete (HPC) according to a normal distribution. Also, we have identified some possible uncertainties of the water content at saturation and showed their significant impact on the prediction of hygrothermal behavior of the material. These studies highlight the importance of considering the data uncertainties of building materials during numerical simulation of hygrothermal transfers. At the experimental level, the spatial variability of the most influential parameters was evaluated. It was carried out by manufacturing a concrete wall in lab. At the end of this experimental program, the expected value, standard deviation and the correlation length of the studied properties (water porosity, water vapor permeability, sorption isotherm and gas permeability) were determined. These three parameters are important for the successful implementation of Karhunen Loeve decomposition. Also, another experimental program was conducted on cement pastes, mortars and concrete. It was divided into three parts according to the studied properties:(i) Hydrations and microstructural properties which include the measurement of water and mercury porosity, the pore size distributions and an analysis of some techniques for stopping cement hydration.(ii) Hydric properties: where an analysis of the sorption and the water vapor permeability was performed considering their evolution with materials ages, temperature…(iii) Thermal properties where measurement of specific heat and thermal conductivity were performed. The result of the study highlighted the limits of deterministic approaches after their confrontation with the obtained results using the probabilistic one developed in this work.