L’objectif général de la thèse est de progresser dans la compréhension du comportement multi-physique des bâtiments en bois et d’améliorer l’évaluation de leur performance énergétique associée au confort hygrothermique. Les professionnels du secteur, ainsi que des études scientifiques, montrent des écarts entre les calculs et les mesures de performance (consommations, confort) de ces bâtiments. Les raisons de ces écarts ne sont pas encore bien élucidées : l’impact de l’humidité et de la chaleur latente dans ces constructions sont souvent mis en avant comme explication probable, bien que cela reste encore du domaine de la recherche. Les travaux les plus récents montrent que les fondements se situent probablement au niveau du comportement hygrothermique des matériaux à la base de bois en régime instationnaire. Ce travail de thèse se focalisera principalement sur deux échelles d’études : échelle matériau et échelle bâtiment. L’un des axes de travail de la thèse portera sur la caractérisation expérimentale des propriétés hygroscopiques de matériaux à base de bois et sur leur modélisation. Le second axe de travail portera sur l’intégration à l’échelle bâtiment de ces matériaux : en modélisation, intégrer l’impact des propriétés spécifiques de ces matériaux dans les assemblages constituants les parois, puis dans les bilans complexes à l’échelle du bâtiment. Une étude expérimentale portera sur une pièce de vie avec une forte présence de bois dans l’enveloppe du bâtiment pour caractériser le confort hygrothermique, et quantifier l’apport de l’inertie hygrique de l’enveloppe sur la performance de l’ambiance en termes de confort. Le cas échéant, des mesures seront également réalisées à l’échelle « paroi » d’une part, sur des constructions réelles d’autre part / The general aim of the thesis is to advance the understanding of multi-physical behavior of wooden buildings and improving the assessment of their energy performance with comfort hygrothermal. Sector professionals and scientific studies show the differences between the calculations and performance measures (consumption, comfort) of these buildings. The reasons for these differences are not yet well understood: the impact of moisture and latent heat in these constructions are often put forward as a likely explanation, although this is still research. The most recent studies show that the foundations are likely to fall at the hygrothermal behavior of materials at the base of wooden unsteady. This work will focus primarily on two studies scales: scale and scale building material. One of the lines of work of the thesis will focus on the experimental characterization of hygroscopic properties of wood-based materials and their modeling. The second strand of work will focus on building wide integration of these materials in modeling, integrating the impact of specific properties of these materials in the walls constituent assemblies and in complex balance sheets at the building scale . An experimental study will focus on a living room with a large presence of wood in the building envelope to characterize the hygrothermal comfort, and quantify the contribution of Hygric inertia of the envelope on performance in terms of the atmosphere comfort. If necessary, measures will also be drawn to scale "wall" on one hand, on real structures on the other

Dans un souci d’optimisation des fours industriels et de réduction des émissions de gaz à effet de serre,l’oxy-combustion est considérée comme l’une des solutions d’avenir. Les conditions existantes dans les chambres d’oxycombustion créent une interaction forte entre les différents phénomènes : Combustion,turbulence et transferts de chaleur. Pour mieux dimensionner les configurations futures il est nécessaire de pouvoir étudier la physique qui y règne, et ce pour un coût et un temps de retour raisonnables. De tels études nécessitent l’emploi d’outils de simulation de haute fidélité,et afin de modéliser les interactions inter-phénomènes à un coût acceptable le couplage de codes est utilisé. C’est avec cet objectif que les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la mise au point d’une méthodologie de couplage entre codes d’écoulements réactifs et de transfert de chaleur dans les parois pour la réalisation de simulations de haute-fidélité massivement parallèles prédictives des chambres futures. / Oxycombustion is seen as one mean to attain the wished goals in terms of efficiency optimisation and Greenhouse Effect Gases emissions reduction for industrial furnaces. The extreme operating conditions, high pressure and temperature, lead to a strong interaction between the different phenomena which take place inside the combustion chambe r: Combustion, turbulence and heat transfer. To better design these futur oxyfuel processes, a mean to study the related physics with a reasonable computational cost and return time. Such studies require the use of high-fidelity numerical resolution tools, and in order to model the multi-physics interaction in a cost efficient way, code coupling. The operating conditions being extreme : High pressure and temperature, a strong interaction exists between the different phenomena occuring inside the chamber. To better understand the physics inside oxycombustion chambers,a multiphysics high-fidelity simulation methodology is developped.

De nos jours, l'humidité dans les bâtiments est une problématique majeure car elle impacte simultanément la consommation énergétique, le confort des occupants, ainsi que les risques de moisissures dans l'envelope du bâtiment. Les matériaux de construction ont la capacité d'absorber et de libérer de grandes quantités de vapeur d'eau et peuvent par conséquent amortir les variations d'humidité relative intérieure. Cette proporiété est appelée tampon hygrique. Elle est liée aux échanges de vapeur d'eau entre l'air intérieur et les parois, à la ventilation, et aux sources de vapeur. Cet effet a été précédemment mis en évidence à l'échelle du matériau et de la paroi par des expériences de laboratoire et des modèles numériques. Cependant, peu de modèles décrivent de manière réaliste les sources intérieures dues à la présence et aux activités des occupants. Dans ce travail, un modèle hygrothermique à l'échelle de la pièce a été développé en Python afin d'investiguer l'influence du scénario d'occupation, et l'impact du tampon hygrique des parois sur l'air intérieur. Ce modèle regroupe les transferts couplés d'énergie et de masse dans les parois, ainsi que les sources intérieures décrites par un système de conditionnement d'air et par la présence et les activités des occupants. Ce dernier étant modélisé de manière stochastique par un modèle implémenté dans une plateforme nommée No-MASS. Des indicateurs de performance sur les besoins énergétiques, le confort hygrique intérieur, et les risques liés aux moisissures dans les parois ont été définis pour quantifier la performance hygrothermique d'une pièce. La sensibilité des indicateurs de performance vis-à-vis du scénario d'occupation a été évaluée en simulant des scénarios stochastique, déterministe et constant. Les résultats ont montré une influence marginale du scénario à l'échelle de l'année. [...} / Humidity in buildings has nowadays become a major concern as it impacts simultaneously the energy consumption, the occupants' comfort and the moisture related risks in the buildings envelope. Buildings materials have the ability to absorb and release large amounts of moisture and therefore they may dampen the indoor relative humidity variations. This is called the moisture buffering capacity. It depends on the vapour exchanges between the air and the walls, the ventilation and the indoor moisture sources. This property was previously highlighted at material and wall scales through laboratory experiments and numerical models. However, few models describe the indoor sources due to the occupants' presence and activities in a realistic way. In this work, a hygrothermal room model was developed in Python to investigate the influence of the occupancy scenario and of the impact of the walls moisture buffering on indoor air balance. This model regroups the coupled heat and mass transfer in the walls, as well as the indoor sources depicted by the air-conditioning system and the occupants' presence and activities. The numerical modelling of the latter relies on a stochastic occupancy model implemented in a platform called No-MASS. Performance indicators on the energy demand, the indoor hygric comfort and the moisture related risks in the walls were defined to quantify the hygothermal performance of a room. The sensitivity of the performance indicators towards the occupancy scenario was assessed by simulating a stochastic occupancy scenario, a deterministic one and a constant one. Results showed a marginal influence of the scenario at year scale. However, at smaller time scales (seasonal or monthly), their impact on the indoor relative humidity dampening was not negligible, mainly due to the consideration of a seasonal effect for the stochastic scenario. [...]

La prévision des volumes de lixiviat produits par les casiers de stockage de déchets ménagers (CSD) constitue un enjeu important dans la gestion à court terme et à long terme d'un CSD (dimensionnement, gestion du risque pour l'environnement, gestion du coût financier).<br />Nous nous sommes intéressés au bilan hydrique à l'échelle d'un casier de stockage de déchets ménagers pour tenter de quantifier les flux d'eau entre le casier et l'extérieur (pluviométrie, ruissellement et évaporation) et à l'intérieur des déchets. <br />Un casier de décharge a été instrumenté pour suivre l'évolution des termes du bilan hydrique. Cette étude a pour intérêt de présenter une approche relativement complète du cycle de l'eau et d'utiliser la technologie TDR dans les déchets. Les températures ont aussi été mesurées afin d'étudier leur impact sur les écoulements.<br />Cette approche expérimentale a fourni des résultats originaux concernant le comportement thermique des déchets et des gradients de température observés. L'instrumentation en place a permis une quantification de l'infiltration à travers la couverture. Malgré les difficultés de comportement de certaines sondes, plusieurs capteurs TDR ont permis un bon suivi qualitatif des variations de teneur en eau en fond de casier. Une approche, pour calculer l'évaporation des déchets en contact avec l'atmosphère, a été proposée.<br />Une modélisation des transferts couplés d'humidité et de chaleur au sein des centres de stockage de déchets ménagers a donc été développée. Le comportement du modèle thermique s'est révélé très satisfaisant par rapport aux mesures sur site. Le modèle couplé, quant à lui, a permis de reproduire avec fidélité les variations de stock en eau dans la couverture ainsi que la hauteur de lixiviat en fond de puits. L'analyse du modèle a montré l'influence des températures avec notamment l'apparition de barrières thermiques ralentissant le transfert de l'eau vers le fond.

Le phénomène d'ébullition, d'un point de vue énergétique, présente un réel enjeu dans de nombreux domaines. Ce mémoire, à caractère expérimental, traite du cas d'une bulle de vapeur unique générée sous un élément chauffant, ce qui permet de maîtriser la croissance jusqu'à des tailles importantes. Deux techniques, optique (traitement d'image) et thermique (fluxmètre, thermocouples), sont mises en œuvre simultanément. La première partie du mémoire traite des transferts de chaleur et de masse dans le cas d'un liquide (FC-72) dégazé. L'influence de différents paramètres significatifs (puissance de chauffe, niveau de sous refroidissement, inclinaison) sur le phénomène d'ébullition est étudiée grâce à une expérimentation systématique. La dynamique de la bulle, dans la configuration retenue, est analysée et conduit à une loi de croissance en tn, où l'exposant « n » est uniquement fonction des paramètres thermiques. Le flux lié au changement de phase est quantifié et ne contribue que faiblement à l'amélioration des échanges de chaleur en ébullition. Il existe une corrélation évidente entre les transferts de chaleur et la fréquence d'émission des bulles de vapeur. L'augmentation de cette dernière améliore les transferts. La seconde partie du mémoire traite des écoulements de liquide autour de la bulle de vapeur. Ceux-ci, d'origine thermocapillaire (convection Marangoni), n'apparaissent que dans le cas d'un fluide non dégazé et résultent de la présence de gaz incondensables dissous dans le FC-72. Les différents régimes d'écoulement (stationnaire et oscillatoire) sont mis en évidence et la courbe limite de transition entre ces deux régimes est définie. Les différents résultats obtenus ont permis de valider l'utilisation du fluxmètre thermique, outil de mesure original.

Étant de plus en plus isolés, les bâtiments très performants sont très sensibles aux apports solaires transmis par les vitrages ainsi qu'aux apports internes. Dans ce contexte, l'inertie thermique peut être utile en stockant l'énergie excédentaire et en réduisant les variations de température, améliorant ainsi le confort thermique.Évaluer la performance énergétique, environnementale et le confort thermique des bâtiments nécessite des outils de simulation thermique dynamique (STD) fiables. Historiquement, les modélisateurs ont essayé de trouver un compromis approprié entre précision et efficacité. Des hypothèses simplificatrices ont alors été intégrées dans les outils STD et ont un lien étroit avec l'inertie thermique. La validité de telles hypothèses, notamment la globalisation des échanges convectifs et radiatifs GLO intérieurs, ou la distribution forfaitaire des apports solaires transmis par les vitrages nécessitent particulièrement d'être remises en questions dans le contexte des bâtiments très isolés.Ainsi, un modèle découplant les échanges convectifs et radiatifs GLO ainsi qu'un modèle de suivi de la tache solaire (modèles détaillés) ont été implémentés dans une plateforme de simulation mettant en œuvre l'analyse modale et une discrétisation par volumes finis.Une première comparaison entre les modèles détaillés et simplifiés a été réalisée sur des cas d'études du "BESTEST", intégrant aussi des résultats d'outils STD de référence au niveau international (EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS). Un travail similaire a été réalisé sur le cas d'une maison passive instrumentée (plateforme INCAS à Chambéry) en utilisant des techniques d'analyses d'incertitudes et de sensibilité.Les résultats montrent qu'une tendance à la baisse concernant les besoins de chauffage et de refroidissement existe en ce qui concerne les modèles détaillés considérés ici. D'autre part, il semble que ces modèles détaillés ne contribuent pas à diminuer significativement les écarts entre les simulations et les mesures.

L'hydrodynamique et les transferts thermiques dans des réacteurs types lits fixes font l'objet d'études depuis une soixantaine d'années. Les informations fournies par ces travaux sont importantes pour le dimensionnement des réacteurs industriels. En effet, une étroite relation entre les propriétés de transports et le design du procédé (réacteur et support catalytique) est mise en avant dans l'état de l'art. Mais force est de constater que la complexité des phénomènes entraine des divergences entre les observations et les différentes conclusions faites par les auteurs. Deux pilotes à échelle laboratoire ont été conçus et mis en place au cours de cette thèse. L'un est dédié à l'étude hydrodynamique et l'autre à l'étude thermique. La caractérisation hydro-thermique des réacteurs passe également par une étape de développement de modèles mathématiques associés aux pilotes. Ils représentent les transferts opérant au sein d'une colonne garnie. Ils permettent également d'estimer les paramètres effectifs du milieu poreux. Les quatre grandeurs caractéristiques étudiées dans cette thèse sont les pertes de charges, la dispersion axiale, la conductivité effective globale et le coefficient d'échange thermique à la paroi. Les résultats obtenus à partir des modèles sont comparés aux travaux de la littérature. Ceci permet de valider les méthodes d'estimation développées dans cette thèse. Il est remarqué que les corrélations prédictives de la conductivité effective sont peu adaptées aux morphologies de supports les plus complexes. Nous proposons donc aussi de nouvelles corrélations basées sur nos mesures / Hydrodynamics and heat transfers in packed bed reactors have been studied for about sixty years. The information supplied by this work is important for the design of industrial reactors. Indeed, there is a close relationship between the heat and mass transfers and the design of the process (reactor and catalytic support); this is highlighted in the state of the art. It is clear that the complexity of the phenomena is the cause of divergences between the observations and the conclusions made by the authors. Two laboratory-scale pilots were designed and set up during this PhD thesis. One is dedicated to the hydrodynamic studies and the other to the thermal studies. The hydro-thermal characterization of the reactors includes a step of development of mathematical models associated with the pilots. They represent transfers occurring within the bed of particles. Coupling experimental data with the models allows estimating the effective parameters of the porous medium. The four characteristic quantities studied in this PhD thesis are the pressure drop, the axial dispersion, the overall effective conductivity and the heat transfer coefficient at the wall. The results are compared with the data provided by the open literature. This validates the estimation methods developed during this PhD thesis. It is noticed that the predictive correlations of the effective thermal conductivity are not adapted to the morphologies of the most complex supports. Based on our measurements, new correlations were developed

Le procédé de friture utilise les huiles usagées comme fluide de chauffe pour sécher les boues humides par contact direct tout en incorporant une fraction. Le produit obtenu est un combustible solide à fort pouvoir calorifique, hygiènisé, stockable et transportable sans risque. Une étude expérimentale et théorique a permis d'apporter les éléments nécessaires à la conception du procédé, tant sur le plan énergétique que sur les plans environnemental et sanitaire. Un modèle de cinétique de friture, est proposé pour le séchage et la dynamique d'absorption d'huile, basé sur une loi de diffusion de l'eau dans la boue et un remplacement de l'eau par l'huile volume pour volume. Le modèle est ajusté aux données expérimentales obtenues par méthode gravimétrique sur des cylindres de boues (4-12 mm). Les températures employées varient entre 110°C et 140°C. Le temps de séchage, compris entre 10 et 20 min est réalisable dans une unité de séchage en continu. Un bilan d'énergie a permis de déterminer l'évolution du coefficient de transfert convectif en mettant en évidence trois phases successives. Une corrélation adimensionnelle est proposée, regroupe le flux évaporatoire normé, les caractéristiques thermiques d'huile et la géométrie de la boue. Une étude de la cinétique de destruction thermique des micro-organismes pathogènes a permis de construire un modèle estimant le temps de friture nécessaire pour hygiéniser une boue dont la température est connue dans le temps. Les conditions de friture sous vide à une température d'ébullition de 80°C ont été étudiées et comparées à d'autres procédés de séchage. Enfin, pour évaluer l'insertion du procédé dans une filière de valorisation énergétique par combustion, une étude expérimentale des émissions atmosphériques a été réalisée pour une combustion en lit fixe (850°C). Une attention particulière a été accordée aux émissions des hydrocarbures aromatiques polycycliques vu leurs impacts cancérigènes pour la santé humaine et leur toxicité pour les écosystèmes. Les résultats ont montrés que les émissions de boues frites sont d'environ 5000 microgramme/gramme soit 10 fois plus importantes que celles du bois et 10 fois moins importantes que celles des huiles usagées. / Fry-drying is an alternative for heat and mass transfer intensification. The process re-uses waste oil as a heating medium for drying by contact with the wet sludge. The fry-dried product is a granular solid fuel with high heating value. The product is sterile, stored, and transported safely. Experimental procedure and theoretical investigation have to provide basic information for the process design, in terms of energy and environment. A kinetic model of frying is proposed for water loss and oil intake. The model has been fitted to the data obtained by a weighing method on sludge cylinders (4-12 mm diameter) at an oil temperature ranging from 110°C to 140°C. The drying time between 10 and 20 min is effective in a continuous dryer. The global energy balance has enabled the calculation of a convective heat transfer coefficient. The results show that convection is boiling flow dependent. The study suggests a dimensionless correlation involving the normalized boiling flux, thermal oil property, and the sludge size. An estimation of kinetics of thermal destruction of pathogens during vacuum frying (80°C boiling point) was made. The calculations were compared with the current thermal dryer performance. Finally, to evaluate the integration of the process in a sequence of energy recovery by combustion, an experimental study of air emissions was achieved for fixed-bed combustion (850°C). Particularly, the chemical characterization was focused on the 16 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons a group of highly classified carcinogens. The results showed that emissions of fry-dried sludge are approximately 5000 microgramm/gramm thus 10 times higher than those of wood and 10 times smaller than those of oils.

Récemment la bande 60 GHz a été mise en avant pour le développement des réseaux de communication sans fil centrés sur le corps humain. Cet intérêt de la bande 60 GHz pour les applications BAN (Body Area Network) s'explique par les avantages clefs qu'elle procure par rapport aux bandes de fréquence plus basses (possibilité de débits de données supérieurs à 7 Gbit/s, réduction des interférences avec les réseaux voisin, compacité des dispositifs, etc). Le nombre d'application de communication BAN est amené à croître dans les années à venir avec le déploiement de la 5ème génération de réseaux de télécommunications mobiles. Afin de protéger efficacement les utilisateurs des expositions générées par ces applications BAN à 60 GHz, il est nécessaire de se pencher sur les problématiques de réduction du couplage corps/antennes, mais également sur l'évaluation et la quantification du niveau d'exposition du corps à 60 GHz. Pour cela, les travaux de thèse ont été organisés suivant trois axes de recherche : le premier consiste à mettre en évidence et à quantifier l'impact de certains choix de conception en matière d'antennes sur le couplage avec le corps humain ; le second porte sur les outils et les méthodes utilisés pour estimer l'impact thermique d'une exposition électromagnétique 60 GHz sur le fantôme équivalent de la peau ; et le troisième propose une nouvelle approche à la fois dosimétrique et thermique pour évaluer et analyser le couplage corps/antennes en bande millimétrique. / The 60-GHz frequency band has been identified recently as attractive for body centric wireless communication development. Indeed, this band has several key advantages compared to lower frequency bands as high data rates above 7 Gbit/s, low risks of interference with neighboring wireless networks and compact devices. With the development of the future 5th generation of mobile networks in the millimeter-wave band, the number of BAN applications at 60 GHz should increase. To avoid health effects and protect user against an electromagnetic exposure of BAN devices at 60 GHz, the reduction of the coupling between human body and antennas, as well as the evaluation and quantification of exposure are main research aspect of the thesis. The main thesis contributions are divided in three parts: a quantification of antenna design effects on the interactions between human body and antennas; a study of tools and methods used to assess thermal effects due to 60 GHz exposure on a skin-equivalent phantom; and a new dosimetric and thermal approach to evaluate interaction between human body and BAN antennas at 60 GHz.

La présence de fines particules de matières oxydables est rencontrée dans de nombreuses situations industrielles. Le risque d'explosion de poussières présente une menace constante pour les industries de transformation qui fabriquent, utilisent ou manipulent des poudres ou despoussières de matières combustibles. Dans le secteur nucléaire, les scénarios envisagés traitent,en particulier, le risque d'explosion de poussières de graphite liées aux opérations dedémantèlement des réacteurs Uranium Naturel Graphite Gaz. La problématique considérée, dans le cadre de ce travail de thèse, est celle de la combustion d'un mélange dilué gaz-particules.L'objectif de cette thèse est de développer un modèle Euler-Lagrange macroscopique permettantde prédire la vitesse laminaire de flamme qui est une des données essentielles pour les modèlesde vitesse de flamme turbulente utilisés dans l'évaluation des risques d'explosion de poussières.Dans un premier temps, les équations macroscopiques de transferts massique et thermique sont dérivées à partir de la méthode de prise de moyenne volumique. L'intérêt de l'approche utilisée ici est de proposer des problèmes de fermeture permettant d'estimer les coefficients de transfertseffectifs, tels que les coefficients d'échanges thermiques et le coefficient effectif de la réactionhétérogène. Dans un deuxième temps, des simulations Euler-Lagrange sont utilisées pourdéterminer la vitesse de flamme laminaire diphasique plane en fonction des caractéristiques du mélange gazeux et des poussières de graphite. Le modèle proposé dans ce travail est comparé au modèle Euler-Lagrange classique basé sur la résolution du problème de couche limite pourune particule isolée en milieu infini. Cette étude montre que les effets du taux de dilution et deséchanges indirects entre les particules ne sont pas systématiquement négligeables dans leséchanges macroscopiques entre les deux phases. D'autre part, la présente étude laisse entrevoir la potentialité de l'approche proposée pour les simulations détaillées de l'écoulement diphasique / The presence of fine particles of oxidizable materials is encountered in many industrial situations.The risk of dust explosion presents a constant threat in transformation industries that manufacture,use or manipulate powders or combustible materials dusts. In nuclear safety analysis, one of themain scenarios is the risk of graphite dust explosion that may occur during decommissioningoperations of Uranium Natural Graphite Gas reactors. The issue considered in this thesis isrelated to combustion of a dilute gas-particle mixture. This work aims at developing a macroscopicEuler-Lagrange model for predicting laminar flame velocity, which is one of the essential data forturbulent flame velocity models used to evaluate the risk of dust explosion. First, the macroscopicheat and mass transfer equations are derived using the volume averaging method. The majorinterest of the proposed approach is to provide closure problems that allow to estimate theeffective transport coefficients, such as heat exchange coefficients and the effective coefficient ofthe heterogeneous reaction. Second, Euler-Lagrange simulations are used to determine the planetwo-phase laminar flame velocity as a function of gas mixture and graphite dust characteristics.The proposed model is compared to the classical Euler-Lagrange model based on the resolutionof the boundary layer problem in the vicinity of an isolated particle in infinite medium. Results showthat the dilution rate and the indirect particle-particle exchanges are not systematically negligible inthe macroscopic exchanges between the two-phases. On the other hand, this study suggests thepotentiality of the proposed approach for detailed simulations of two-phase flow