La combustion cryogénique dans les moteurs de fusée dits à propulsion liquide utilise généralement un couple d'ergols, le plus couramment composé d'hydrogène/oxygène (H2/O2). Privilégiée pour le fort pouvoir calorifique du dihydrogène, cette combustion à haute pression, induit des températures de fonctionnement très élevées et nécessite l'intégration d'un système de refroidissement. La prédiction des flux thermiques aux parois est donc un élément essentiel de la conception d'une chambre de combustion de moteur fusée. Ces flux sont le résultat d'écoulements fortement turbulents, compressibles, avec une cinétique chimique violente induisant de forts gradients d'espèces et de température. La simulation de ces phénomènes nécessite des approches spécifiques telles que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) qui réalise un très bon compromis entre précision et coût de calcul. Cette thèse a ainsi pour objectif la simulation par SGE des transferts de chaleur aux parois dans les chambres de combustion de moteurs fusée opérant en régime sous-critique. Le régime sous-critique implique un état liquide pour un des ergols, dont il faut traiter l'injection et l'atomisation. Dans un premier temps ce travail s'intéresse à plusieurs éléments de modélisation nécessaire pour réaliser les simulations visées. Le comportement des flammes H2/O2 est décrit par un schéma cinétique réduit et validé sur des configurations académiques. La prédictivité de ce schéma est évaluée sur une large gamme de fonctionnement dans des conditions représentatives des moteurs fusée. La simulation de l'injection de l'oxygène liquide (LOx) est un autre point critique qui nécessite de décrire l'atomisation et la phase dispersée ainsi que son couplage avec la phase gazeuse. La déstabilisation et l'atomisation primaire du jet liquide, trop complexe à simuler en SGE 3D, sont omises ici pour injecter directement un spray paramétré grâce à des corrélations empiriques. Enfin, la prédiction des flux thermiques utilise un modèle de loi de paroi spécifiquement dédiée aux écoulements à fort gradient de température. Cette loi de paroi est validée sur des configurations de canaux turbulents par comparaison avec des simulations avec résolution directe de la couche limite. La méthodologie basée sur les modèles développés est ensuite employée pour la simulation d'une chambre de combustion représentative du fonctionnement des moteurs cryogéniques. Il s'agit de la configuration CONFORTH testée sur le banc MASCOTTE (ONERA) et pour laquelle des mesures de température de paroi et de flux thermiques sont disponibles. Les résultats des SGE montrent un bon accord avec l'expérience et démontrent la capacité de la SGE à prédire les flux thermiques dans une chambre de combustion de moteur fusée. Enfin, dans un dernier chapitre ce travail s'intéresse à une méthode d'augmentation des transferts thermiques via une expérience de JAXA utilisant des parois rainurées dans la direction axiale. Par comparaison avec une chambre à parois lisses, les résultats démontrent la bonne prédiction par la SGE de l'augmentation du flux de chaleur grâce aux rainures et confirment la validité de la méthode développée pour des géométries de paroi complexes. / Combustion in cryogenic engines is a complex phenomenon, involving either liquid or supercritical fluids at high pressure, strong and fast oxidation chemistry, and high turbulence intensity. Due to extreme operating conditions, a particularly critical issue in rocket engine is wall heat transfer which requires efficient cooling of the combustor walls. The concern goes beyond material resistance: heat fluxes extracted through the chamber walls may be reused to reduce ergol mass or increase the power of the engine. In expander-type engine cycle, this is even more important since the heat extracted by the cooling system is used to drive the turbo-pumps that feed the chamber in fuel and oxidizer. The design of rocket combustors requires therefore an accurate prediction of wall heat flux. To understand and control the physics at play in such combustor, the Large Eddy Simulation (LES) approach is an efficient and reliable numerical tool. In this thesis work, the objective is to predict wall fluxes in a subcritical rocket engine configuration by means of LES. In such condition, ergols may be in their liquid state and it is necessary to model liquid jet atomization, dispersion and evaporation.The physics that have to be treated in such engine are: highly turbulent reactive flow, liquid jet atomization, fast and strong kinetic chemistry and finally important wall heat fluxes. This work first focuses on several modeling aspects that are needed to perform the target simulations. H2/O2 flames are driven by a very fast chemistry, modeled with a reduced mechanism validated on academic configurations for a large range of operating conditions in laminar pre- mixed and non-premixed flames. To form the spray issued from the atomization of liquid oxygen (LOx) an injection model is proposed based on empirical correlations. Finally, a wall law is employed to recover the wall fluxes without resolving directly the boundary layer. It has been specifically developed for important temperature gradients at the wall and validated on turbulent channel configurations by comparison with wall resolved LES. The above models are then applied first to the simulation of the CONFORTH sub-scale thrust chamber. This configuration studied on the MASCOTTE test facility (ONERA) has been measured in terms of wall temperature and heat flux. The LES shows a good agreement compared to experiment, which demonstrates the capability of LES to predict heat fluxes in rocket combustion chambers. Finally, the JAXA experiment conducted at JAXA/Kakuda space center to observe heat transfer enhancement brought by longitudinal ribs along the chamber inner walls is also simulated with the same methodology. Temperature and wall fluxes measured with smooth walls and ribbed walls are well recovered by LES. This confirms that the LES methodology proposed in this work is able to handle wall fluxes in complex geometries for rocket operating conditions.

Le procédé de soudage à l'arc sous atmosphère inerte (TIG) est souvent employé pour des assemblages nécessitant une grande qualité du joint soudé. Les propriétés du joint soudé dépendent essentiellement du cycle thermique imposé par l'opération de soudage, de la composition chimique du matériau métallique et des mouvements convectifs du métal fondu dans le bain de fusion. L'écoulement du métal liquide dans le bain de fusion modifie la distribution de température en son sein et à proximité, ainsi que la forme géométrique du joint. Afin d'améliorer l'opération de soudage TIG, par exemple pour accroitre la productivité ou éviter des défauts rédhibitoires, il est nécessaire de bien comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le bain de fusion ainsi que l'effet des paramètres opératoires (intensité, hauteur d'arc, gaz …) sur ces phénomènes physiques. Dans le but d'appréhender les phénomènes mis en jeu au cours de l'opération TIG et dans le bain de fusion, un modèle multi-physique 2D axisymétrique a été établi et résolu par la méthode des éléments finis (MEF). Les forces telles que Lorentz (électromagnétique), Marangoni (Tension superficielle), Boussinesq et la force de cisaillement du plasma d'arc ont été prises en compte au niveau du bain de fusion. Le modèle TIG établi est utilisé pour prédire la distribution de température et la distribution des vitesses dans le bain de fusion ainsi que la forme géométrique du bain de fusion. Un protocole expérimental a été développé dans le but de valider le modèle proposé. Pour cela, une opération de soudage TIG stationnaire (pas de mouvement de la torche) a été réalisée sur un disque métallique. L'opération a été contrôlée par des mesures de température, par une observation de la formation et de l'évolution de la surface du bain de fusion avec une caméra rapide et un enregistrement des paramètres opératoires (intensité et tension). Toutes les données sont synchronisées entre elles pour permettre une analyse expérimentale pertinente. La confrontation des résultats expérimentaux avec le modèle multi-physique du soudage TIG a fait apparaître une assez bonne adéquation, mais des différences existent, essentiellement liées à la méconnaissance des paramètres décrivant le flux de chaleur utilisé dans la simulation. Le flux de chaleur a été modélisé par une fonction Gaussienne qui nécessite la connaissance du rendement du procédé TIG et la distribution spatiale (ou rayon de la Gaussienne). L'estimation de ces paramètres a été réalisée par une méthode inverse. Cette méthode inverse a consisté à estimer les paramètres inconnus à partir des données expérimentales disponibles. La méthode d'optimisation dite de Levenberg-Marquardt, associée à une technique de régularisation itérative, a été utilisée pour estimer les paramètres. La pertinence et la robustesse de cette méthode ont été validées au travers de plusieurs cas numériques ; soit des cas utilisant des données « exactes » ou des données « bruitées ». Trois types d'erreurs ont été analysés séparément : bruit de mesure, erreur sur la position du capteur et imprécision sur la valeur des propriétés thermophysiques. Les deux dernière erreurs sont celles qui impactent fortement le résultat de l'estimation, essentiellement l'estimation du rendement du procédé TIG. Enfin, une partie des données expérimentales a été utilisée pour résoudre le problème inverse. Les paramètres ont été estimés avec une marge d'erreur inférieure à 10% et ils sont en bon accord avec les valeurs trouvées dans la littérature. / Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) process is generally used for assemblies that requires high quality weld joint. The microstructure and the weld joint relies mainly on the thermal cycle due to the welding operation, the chemical composition of the metallic material and the complex flow of molten metal in the weld pool. Moreover the fluid flow in the weld pool play a major role in the temperature distribution and the final weld pool shape. Better understanding of the physical phenomena involved in the welding operation, more exactly in the weld pool, are the fundamental step for improving the GTAW operation, for example increase the productivity or avoid defects. In the present research work, a two dimensional axi-symmetric multiphysics model was established in order to predict the weld pool shape evolution in the frame of a stationary Gas Tungsten Arc Welding using a finite element numerical approach. The weld pool model included various driving forces such as self-induced electromagnetic (Lorentz force), surface tension (Marangoni force), buoyancy and the arc plasma drag force. The stated GTAW model is used for predicting the velocity and temperature distribution in the fusion zone and the final weld pool shape. In order to validate the GTAW model, an experimental set up was defined for synchronizing the acquisition of time dependent data such as temperature, weld pool radius and welding process parameters (current and voltage). Image processing algorithms were developed for the time dependent weld pool size identification from the high speed camera images. Comparison between experimental and calculated data exhibited important discrepancies on the temperature field and weld pool radius. These discrepancies are due to the incoming heat flux from the arc plasma into the work piece. The heat flux was modeled with a Gaussian function itself described with few parameters;two of these required to be estimated: GTAW efficiency and Gaussian distribution.An inverse approach is used for estimating these parameters from the available experimental data: temperature, weld pool radius and macrographs. The Levenberg-Marquardt method is used to solve the inverse heat transfer problem coupled to an iterative process regularization. Afterward the inverse heat transfer problem was investigated through few numerical cases in order to verify its robustness to three sorts of error in the input data (measurement noise, sensor location error and inaccuracies associated with the thermophysical properties). The inverse approach was robust to errors introduced on measurement data. However, errors on the position of sensors or on the knowledge of material thermo-physical properties are problematic on the GTAW efficiency estimation. Finally the inverse problem was solved with experimental measurement. The estimated parameters are in good agreement with the literature. The evaluated error on the estimated parameters is less than 10%.

Le CEA travaille sur des matériaux poreux – alvéolaires, composites, céramiques, etc. – et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d’utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu’ils auraient s’ils étaient homogènes.L’identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d’une part de simuler tout type d’expériences thermiques numériques – en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique –, et d’autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d’utilisation. / The CEA works a great deal with porous materials – carbon composites, ceramics – and aims to optimize their properties for specific uses. These materials can be composed of several constituents and generally has a complex structure with pore size of several tens of micrometers. It is used in large-scale systems that are bigger than its own characteristic scale in which they are considered as equivalent to a homogeneous medium for the simulation of its behavior in its using environment without taking into account its local morphology. We are especially interested in the effective thermal diffusivity of heterogeneous materials that we estimate as a function of temperature with the help of an inverse method by considering they are homogeneous.The identification of the diffusivity of porous and/or semitransparent materials is made difficult because of the strong conducto-radiative coupling can quickly occur when the temperature increases. We have thus modeled the coupled conductive and radiative heat transfer as a function of the temperature within porous multiconstituent materials from their morphology discretized into a set of homogeneous voxels. We have developed a methodology that consists in starting from a 3D-microstructure of the studied materials obtained by tomography. The microstructures constitute the numerical support to this modeling that renders it possible, on the one hand, to simulate any kind of numerical thermal experiments, especially the flash method whose the results render it possible to estimate the thermal diffusivity, and on the other hand, to reproduce the thermal behavior of our materials in their using conditions.

Les impacts de gouttes sur paroi chaude sont présents dans de multiples domaines, tels que l'injection de diesel sous forme de spray dans des moteurs à combustions internes, ou le traitement thermiques de l'acier dans le domaine de la sidérurgie. L'étude de l'interactions goutte/paroi permet de mieux comprendre les phénomènes thermiques mis en jeu, et ainsi d'aboutir à des économies d'énergies et d'eau. De nombreux travaux portent sur cette thématique, mais ils présentent des résultats divergents et uniquement basés sur l'étude de la paroi chaude. Cette thèse a pour but d'apporter des mesures expérimentales sur les caractéristiques inconnues en étudiant les gouttes. Pour cela, un dispositif expérimental a été mis au point afin de mener à bien l'ensemble des mesures souhaitées. Les diverses techniques de mesures de température utilisées sont présentées, et une attention plus particulière a été portée sur le développement de la technique de fluorescence induite par plan laser qui permet d'accéder au champ de température des gouttes durant leur impact. Cette méthode, combinée à une technique de thermographie par caméra infrarouge couplée à un modèle de conduction inverse, permet d'extraire les paramètres concernant l'aspect thermique, et de déterminer de nouvelles caractéristiques inédites, telles que l'échauffement des gouttes, l'évaporation relative de celles-ci ou encore l'efficacité de refroidissement. Les parts respectives jouées par la chaleur sensible et l'évaporation des gouttes sont tirées de cette dernière. Enfin, l'aspect dynamique est également abordé aboutissant au développement d'une technique d'ombroscopie rapide. Cette dernière a permis, grâce à la combinaison de mesures de diamètres précises et d'une fréquence d'acquisition élevée, d'extraire les paramètres dynamiques de l'impact tels que la vitesse et taille des gouttes, ou d'autres paramètres relatif au type d'impact rencontrés à l'aide d'un algorithme de suivi de particules développé durant la thèse / The droplet impact onto a heated wall interaction can be found in mutiples fields, such as internal combustion engines or the steel industry, specially in the thermal treatment of the steel where high energy dissipation rate is required. The study of this interaction should grant a better understanding of this phenomena, and thus, allow the enhancement of these processes and reduce the energy and water consumption. Several studies have already been carried out on this subjet but a great majority of them, whose results present great divergence, only consider the heated wall, neglecting the outgoing of the droplet. This thesis put the emphasis on the liquid phase where currently no data exist to our knowledge, with the help of multiples experimental technics that have been developped. A general experimental setup has been made in order to make all the wanted measurements. The measurement techniques used in this study are first presented, to begin with the planar laser induced fluorescence, which allow us to know the droplet temperature during the impact. Used with an infrared thermography technique coupled with an inverse conduction model, it is possible to extract some important parameter regarding the thermal aspect, such as the droplet heating, the relative evaporation ratio or the cooling efficiency. This latter can be written as the sum of the two major contributions of the cooling: the sensible heat and the evaporation of the droplet. Finally, a high speed shadow imagery technique is presented. It has been developped in order to study the dynamic aspect of the droplet impact. This technique can determine several dynamic parameters such as the droplet speed and diameter, or other parameter regarding the type of impact encountered

Ce travail de recherche examine aux échelles globale et locale les caractéristiques thermo-hydrauliques au sein des échangeurs à plaques ondulées pour les écoulements monophasiques et en mode condensation. Il comprend deux parties :La première partie concerne l'analyse des structures d'écoulement en mode monophasique à partir d'un outil de simulations numériques, et dont les résultats sont validés à partir d'une campagne expérimentale. L'exploitation des résultats de simulations, à partir d'observables judicieusement sélectionnées, a permis de quantifier les grandes classes d'écoulement en fonction des paramètres géométriques et fluidiques de l'échangeur. Ce nouvel éclairement sur les structures d'écoulement a conduit à la proposition d'un modèle général original sur les lois de friction au sein de ces échangeurs de géométrie d'écoulement complexe.La deuxième partie concerne l'étude de la condensation de la vapeur avec et sans surchauffe en entrée de l'échangeur. Ainsi, un dispositif expérimental permettant le contrôle précis des conditions aux limites a été développé, et une métrologie spécifique, basée sur la thermographie infrarouge a également été mis au point, afin de remonter à certaines grandeurs locales le long du condenseur (titre de vapeur, coefficient d'échange thermique...). On observe ainsi une très forte variabilité des coefficients d'échanges thermiques et de la densité de flux de chaleur le long du condenseur, et la surchauffe de la vapeur tend à intensifier les transferts thermiques. Ce complément de mesures remet en question certaines hypothèses de la littérature quant à l'élaboration de corrélations sur les transferts de chaleur dans les condenseurs. / This research work examines at the global and local scales the thermo-hydraulic characteristics of plate heat exchangers with corrugated chevron plates, for single-phase and condensation flows. The study is divided into two parts:The first part concerns the analysis of flow structures of single-phase flows using numerical simulations, which are validated using the results of the experimental campaign. The analysis of the simulations results, from a flow characteristic observable that has been carefully chosen, has allowed quantifying the main flow categories as a function of the heat exchanger geometric parameters and the flow characteristics. This new information on the flow structures has led to the proposal of an original generalized model of the friction law inside this type of heat exchanger with complex geometry.The second part concerns the study of condensation with and without vapor superheating at the inlet of the heat exchanger. Thus, a specific experimental setup allowing precise control of the boundary conditions has been developed. Otherwise a specific metrology, based on infrared thermography, has been set to the point in order to determine the variation of certain local quantities along the condenser (vapor mass fraction, heat transfer coefficient...). Thus, we observe a high and wide variability of the heat transfer coefficients and the heat flux density along the condenser, and the superheating of the vapor tends to increase the heat transfers. These additional measures question certain assumptions of the literature regarding the development of heat transfer correlations in plate heat condensers.

Aujourd'hui, avec l'amélioration des puissances de calcul informatique, la simulation numérique est devenue un outil essentiel pour la prédiction des phénomènes physiques et l'optimisation des procédés industriels. La modélisation de ces phénomènes pose des difficultés scientifiques car leur résolution implique des temps de calcul très longs malgré l'utilisation d'importantes ressources informatiques.Dans cette thèse, on s'intéresse à la résolution de problèmes complexes couplant écoulements et transferts thermiques. Les problèmes physiques étant fortement anisotropes, il est nécessaire d'avoir un maillage avec une résolution très élevée pour obtenir un bon niveau de précision. Cela implique de longs temps de calcul. Ainsi il faut trouver un compromis entre précision et efficacité. Le développement de méthodes d'adaptation en temps et en espace est motivé par la volonté de faire des applications réelles et de limiter les inconvénients inhérents aux méthodes de résolution non adaptatives en terme de précision et d'efficacité. La résolution de problèmes multi-échelles instationnaires sur un maillage uniforme avec un nombre de degrés de liberté limité est souvent incapable de capturer les petites échelles, nécessite des temps de calcul longs et peut aboutir à des résultats incorrects. Ces difficultés ont motivé le développement de méthodes de raffinement local avec une meilleure précision aux endroits adéquats. L'adaptation en temps et en espace peut donc être considérée comme une composante essentielle de ces méthodes.L'approche choisie dans cette thèse consiste en l'utilisation de méthodes éléments finis stabilisées et le développement d'outils d'adaptation espace-temps pour améliorer la précision et l'efficacité des simulations numériques.Le développement de la méthode adaptative est basé sur un estimateur d'erreur sur les arrêtes du maillage afin de localiser les régions du domaine de calcul présentant de forts gradients ainsi que les couches limites. Ensuite une métrique décrivant la taille de maille en chaque noeud dans les différentes directions est calculée. Afin d'améliorer l'efficacité des calculs la construction de cette métrique prend en compte un nombre fixe de noeuds et aboutit à une répartition et une orientation optimale des éléments du maillage. Cette approche est étendue à une formulation espace-temps où les maillages et les pas de temps optimaux sont prédits sur des intervalles de temps en vue de contrôler l'erreur d'interpolation sur la domaine de calcul. / Nowadays, with the increase in computational power, numerical modeling has become an intrinsic tool for predicting physical phenomena and developing engineering designs. The modeling of these phenomena poses scientific complexities the resolution of which requires considerable computational resources and long lasting calculations.In this thesis, we are interested in the resolution of complex long time and large scale heat transfer and fluid flow problems. When the physical phenomena exhibit sharp anisotropic features, a good level of accuracy requires a high mesh resolution, hence hindering the efficiency of the simulation. Therefore a compromise between accuracy and efficiency shall be adopted. The development of space and time adaptive adaptation techniques was motivated by the desire to devise realistic configurations and to limit the shortcomings of the traditional non-adaptive resolutions in terms of lack of solution's accuracy and computational efficiency. Indeed, the resolution of unsteady problems with multi-scale features on a prescribed uniform mesh with a limited number of degrees of freedom often fails to capture the fine scale physical features, have excessive computational cost and might produce incorrect results. These difficulties brought forth investigations towards generating meshes with local refinements where higher resolution was needed. Space and time adaptations can thus be regarded as essential ingredients in this recipe.The approach followed in this work consists in applying stabilized finite element methods and the development of space and time adaptive tools to enhance the accuracy and efficiency of the numerical simulations.The derivation process starts with an edge-based error estimation for locating the regions, in the computational domain, presenting sharp gradients, inner and boundary layers. This is followed by the construction of nodal metric tensors that prescribe, at each node in the spatial mesh, mesh sizes and the directions along which these sizes are to be imposed. In order to improve the efficiency of computations, this construction takes into account a fixed number of nodes and generates an optimal distribution and orientation of the mesh elements. The approach is extended to a space-time adaptation framework, whereby optimal meshes and time-step sizes for slabs of time are constructed in the view of controlling the global interpolation error over the computation domain.

Ce mémoire est constitué de deux parties relativement indépendantes, dont la première partie porte sur les méthodes de mesure de température par méthodes Multi-Spectrales (pyrométrie optique passive), et la seconde sur la Caractérisation Thermique à haute température par transformations intégrales de matériaux orthotropes. Dans chacune de ces deux parties, les méthodes/modèles développés ont été traités du point de vue théorique, numérique, et expérimental. Dans la partie multi-spectrale, une méthode de mesure de température permettant de prendre en compte les variations spectrales de la chaine de mesure globale (incluant l’émissivité) a été présentée. De plus, une méthode de détermination des longueurs d’ondes optimales au sens de la minimisation de l’écart-type sur la température, a été développée. Enfin, il a également été montré que les longueurs d’ondes optimales pour les mesures mono-spectrales et bi-spectrales pouvaient être déterminées à l’aide de lois analogues à la loi de déplacement de Wien. Dans la partie Caractérisation Thermique, différentes méthodes et modèles ont été développés. Les méthodes proposées effectuent l’estimation des diffusivités longitudinales et transversales sur l’ensemble des harmoniques simultanément. De plus, ces méthodes permettent de s’affranchir du couplage thermique dû à la présence d’un porte-échantillon, et/ou d’effectuer des mesures de diffusivités pseudo-locales, en injectant comme conditions aux limites les informations expérimentales obtenues par caméra infrarouge. Enfin, les notions de corrélation entre les paramètres et de durée d’exploitabilité des harmoniques ont également été abordées / This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental. In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed.This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental. In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed

Les centrales solaires à concentration industrielles consomment 4 m3/MWh d’eau pour le refroidissement de leur cycle thermodynamique. En environnement aride, cela est susceptible d'induire des conflits d’usages sur une ressource encore plus fondamentale que l’électricité, l'eau. Ce constat met en évidence la nécessité de concevoir des solutions alternatives de refroidissement sèches mais tout aussi efficaces. Le champ solaire d’une centrale CSP représente 50% de son coût d’investissement pour n’être utilisé que de jour pour la production de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique. L'approche du sujet de thèse consiste à utiliser cette surface considérable comme macro-échangeur de chaleur avec son environnement via un transfert thermique couplé avec l'air ambiant (convectif) et avec l'espace extra-atmosphérique à 3K (radiatif). Après avoir démontré la pertinence des matériaux du champ solaire pour une telle application, le travail de thèse a montré expérimentalement qu'au-delà d'extraire les chaleurs fatales du cycle thermodynamique, il pouvait aussi produire du froid par transfert radiatif nocturne. Une solution alternative innovante pour le refroidissement des centrales solaires CSP offrant deux nouvelles fonctionnalités à leur champ solaire déjà existant au bénéfice de son amortissement. / Industrial concentrated solar power plants consume 4 m3/MWh of water to cool down their thermodynamic cycle. In arid area, it could induce conflicts of use on a more fundamental resource than electricity. This fact highlights the need to develop alternatives dry cooling technologies but equally effective. The solar field represents 50% of the investment cost of a CSP plant to be used only daily for the heat production needed for the thermodynamic cycle. The approach of the project is to use this huge area as macro-heat exchanger with its surrounding environment through a coupled heat transfer with the ambient air (convective) and with outer space at 3K (radiative). After validating the compatibility of solar field materials for a such application, these research works has shown experimentally that in addition to extract the waste heat of the thermodynamic cycle, it could also produce cold by night radiative cooling. An innovative alternative solution for cooling CSP plants offering two new features to their already existing solar field for the benefit of its paying off.

Les panneaux d'isolation sous vide (PIV) sont constitués d'un matériau de coeur nanoporeux en dépression, et d'une enveloppe barrière aux gaz atmosphériques. Leur conductivité thermique initiale est de l'ordre de 5 mW/(m.K), cinq à huit fois inférieure à celle des isolants conventionnels. Au regard des isolants classiques, le questionnement le plus important concerne le couple performance / durabilité. La réponse passe par la compréhension et la modélisation des transferts thermiques et massiques dans les PIV. De nombreuses études expérimentales et numériques ont conduit à un modèle semi-empirique pour la conductivité thermique apparente d'un PIV, prenant en compte les différents modes de transfert dans le panneau. Ce modèle met en lumière le principal mécanisme de vieillissement : du fait de la perméation gazeuse à travers l'enveloppe, pression et humidité dans le panneau remontent au cours du temps, ce qui engendre une augmentation de la conductivité thermique. L'étude des transferts massiques à travers l'enveloppe est particulièrement délicate. Premièrement, la modélisation de la perméabilité des enveloppes utilisées (membranes multicouches de films polymères métallisés) repose sur la prise en compte des micro-défauts dans les couches métallisées, qui gouvernent le débit total de perméation. Deuxièmement, les valeurs des perméabilités à mesurer sont trop basses pour beaucoup de techniques conventionnelles. Troisièmement, une analyse de la littérature montre une lacune de taille en ce qui concerne la prise en compte de l'influence conjointe de la température et de l'humidité relative dans le modèle classique de perméation gazeuse. En se basant sur des données expérimentales existantes, le rôle de l'humidité relative sur les propriétés barrières des enveloppes des PIV est mis en lumière. L'existence d'un couplage entre les flux des différents gaz est posé comme hypothèse de départ à la mise en place d'un nouveau modèle de perméation gazeuse, prenant en compte pression partielle et pression totale, et donc la concentration molaire de chaque gaz dans le mélange. Les prédictions de ce modèle sont comparées à celles issues du modèle classique de perméation gazeuse, et les différences de comportement entre les deux modèles sont mises en avant. Deux séries de mesure de perméance sont ensuite mises en place, par vieillissement de PIV en enceintes climatiques et par mesure directe de perméance sur échantillons de membrane (méthode manométrique). Ces mesures sont menées à température et humidité relative fixées (T = 48 °C, φ = 65 % HR), mais avec une pression totale variant de 80 mbar à 1 bar. Cette campagne de mesure exploratoire ne montre pas d'influence notable de la pression totale sur la perméabilité à la vapeur d'eau. Ces résultats permettent de dresser les premières conclusions sur le rôle respectif de la pression partielle et de la pression totale, et de proposer une suite à la démarche expérimentale initiée dans cette étude. / Vacuum insulation panels (VIPs) are composed of an evacuated nanoporous core material, and a barrier envelope to atmospheric gases. Their apparent thermal conductivity after manufacturing is approximately 5 mW/(m.K), five to eight times lower than that of conventional insulation materials. Compared to conventional insulation materials, the most important issue remains in the duality performance / durability. The answer lies in the understanding and modeling of heat and mass transfer in VIPs. Many experimental and numerical studies about heat transfer led to a semi-empirical model for the apparent thermal conductivity of a VIP, taking into account the different transfer modes in the panel. This model highlights the main mechanism of VIPs aging: due to gas permeation through the envelope, pressure and humidity in the panel increase gradually over time, which causes an increase of the apparent thermal conductivity. The study of mass transfer through the gas barrier envelope is particularly difficult for three main reasons. First, the permeation modeling of VIPs envelopes (multilayer membranes with metalized polymer films) has to take into account micro-defects in the metallic layers, which play a key role in the total permeation rate. Second, the permeances to be measured are too low for many conventional methods, especially for dry air. Third, a literature analysis shows that the classical model for mass transfer through barrier envelopes does not take into account the combined influence of temperature and relative humidity, which is a great lacuna. From experimental data available in the literature, the role of relative humidity on the barrier properties of the VIPs envelopes is highlighted. The existence of a coupling phenomenon between the mass flows of the various gases is hypothesized to start the establishment of a new gas permeation model, which takes into account partial pressure and total pressure, and thus the molar concentration of each gas in the mixture. The predictions of this model are compared with predictions based on the classical model for gas permeation, and the differences between the two models are analyzed. Two experimental campaign are then implemented to measure envelope permeance, through whole VIPs aging in climatic boxes and through direct measurement of the permeance on membrane samples (manometric method). These measurements are carried out at fixed temperature and relative humidity (T = 48 °C, φ = 65 % HR), but with a total pressure ranging from 80 mbar to 1 bar. This exploratory measurement campaign shows no significant influence of the total pressure on the apparent permeability to water vapor. These results are used to draw first conclusions on the respective roles of the partial pressure and the total pressure, and suggest some outlooks to the experimental approach initiated in this study.

Les recherches que nous présentons dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre de l’analyse des phénomènes de transport fondamentaux impliqués lors du processus d’évaporation d’un film liquide mince. Outre les mécanismes macroscopiques (résistance thermique du solide, capillarité, thermocapillarité, …) qui influencent le comportement de tels films, des développements fondamentaux et expérimentaux ont mis en évidence le rôle significatif d’effets microscopiques, comme les forces de van der Waals [11,96,117]. L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit tout d’abord de caractériser les phénomènes locaux qui influencent le processus d’évaporation et ensuite, d’étendre notre étude à une échelle globale “macroscopique”. Ce manuscrit est divisé en deux parties qui correspondent à ces deux objectifs. <p><p>L’étude décrite dans la première partie propose une contribution originale à la modélisation de l’évaporation des films minces, y compris au voisinage des lignes de contact. De manière générale, nous cherchons à mettre en évidence l’influence de phénomènes qui se déroulent aux petites échelles sur le transfert thermique d’un film mince déposé sur une paroi plane et chauffée. Dans le cadre de l’hypothèse de lubrification, deux modèles sont dès lors développés. Le premier modèle décrit l’évaporation d’un film liquide mince dans sa vapeur pure tandis que le second modèle porte sur l’évaporation d’un film liquide mince dans un gaz inerte. Les diverses recherches menées sont principalement orientées vers la quantification, d’une part, des angles de contact apparents générés par l’évaporation, malgré le caractère parfaitement mouillant du couple liquide-solide utilisé et, d’autre part, des flux de chaleur et de matière interfaciaux. Une particularité du premier modèle est qu’il généralise divers modèles existants [15,25,86,117] en regroupant un ensemble de phénomènes spécifiques et complexes tels que le saut de température à l’interface liquide-vapeur, la résistance thermique de la vapeur et celle du solide ou la variation locale de la température de saturation à l’interface liquide-vapeur suite à la courbure interfaciale et aux forces de van der Waals. En plus de ces effets, d’autres mécanismes plus classiques sont inclus dans le modèle :la tension superficielle, la thermocapillarité, la pression de disjonction, l’évaporation et le recul de vapeur. Des analyses de stabilité linéaires et des études paramétriques ont été réalisées afin de quantifier l’influence de ces phénomènes sur la stabilité d’un film liquide mince, sur son évaporation et sur le transfert de chaleur associé. Au travers des chapitres 3 et 4, nous mettons notamment en évidence <p>• comment les forces de van der Waals compensent l’évaporation du film liquide mince de façon à créer un film stationnaire stable,<p>• pourquoi le recul de la vapeur et la thermocapillarité sont deux phénomènes qui peuvent être négligés dans les conditions étudiées dans ce travail,<p>• des lois analytiques qui décrivent certaines variables du problème, plus particulièrement l’angle de contact et le maximum du flux de chaleur, en fonction de la surchauffe de la paroi solide.<p><p>Faisant suite aux travaux proposés par Haut et Colinet [59], nous avons ensuite développé un second modèle afin de caractériser l’évaporation dans une faible quantité de gaz inerte d’un film liquide mince déposé sur une paroi plate et chauffée. Tout comme dans le cadre de l’étude précédente, notre analyse s’articule autour d’une étude de stabilité linéaire ainsi que d’études paramétriques réalisées sur des nombres caractéristiques du problème. Alors que les conclusions sur la stabilité du film sont indépendantes de la quantité de gaz inerte contenue dans la phase vapeur, il n’en est pas de même pour les transferts de matière et de chaleur interfaciaux comme montré au chapitre 5.<p><p>Dans la seconde partie du travail, nous utilisons les conclusions auxquelles nous sommes arrivés dans la première partie dans le cadre d’une application industrielle. En collaboration avec le Centre d’Excellence en Recherche Aéronautique (CENAERO) et la société Euro Heat Pipes (EHP), une stratégie a été élaborée afin de simuler les transferts thermiques radiaux dans une rainure d’un caloduc au niveau de l’évaporateur. Les résultats numériques, obtenus sur base d’un modèle multi-échelle développé à l’ULB et implémenté numériquement lors d’un stage chez CENAERO, montrent que ces transferts sont influencés par la valeur de l’angle de contact. Celui-ci dépendant des phénomènes microscopiques, il s’avère par conséquent nécessaire de les inclure dans le modèle thermique. En effet, si nous ne considérons que les aspects macroscopiques du problème, qui se résument à la conduction dans le solide et dans le liquide, le coefficient d’échange global au niveau de la rainure est surestimé.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished