Les architectes, les urbanistes et les ingénieurs sont fortement sollicités pour élaborer des méthodes de conception permettant de limiter l'impact environnemental de l'urbanisation. De nombreux travaux montrent que des phénomènes climatiques comme l'îlot de chaleur urbain sont à la fois les causes et les conséquences de l'augmentation de la consommation énergétique à l'échelle de la ville. Par ailleurs, l'expertise énergétique des bâtiments est possible avec des outils opérationnels qui ne prennent pas correctement en compte les conditions climatiques à petite échelle spatiale alors qu'il est démontré que leurs effets sont avérés. Souvent négligé, l'impact direct et indirect de l'aménagement constitue pourtant une piste intéressante pour la régulation énergétique passive. Pour étudier ces phénomènes, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un outil de simulation microclimatique, reposant sur le couplage d'un modèle thermoradiatif et d'un code de mécanique des fluides numérique. Dans une première partie, nous développons un modèle de sol et un modèle thermique de bâtiment, ce dernier permettant le calcul des consommations énergétiques d'un bâtiment interagissant avec son environnement urbain. Nous les intégrons à l'outil de simulation thermoradiative (Solene), puis adaptons la procédure de couplage physique avec l'outil de simulation thermoaéraulique (Fluent). Dans une deuxième partie, nous caractérisons le comportement d'un bâtiment de référence en site isolé et décrit par des paramètres variables, en établissant des classes de consommations énergétiques à partir d'une méthode statistique d'étude de sensibilité multicritères. Enfin, nous réutilisons ces classes de bâtiments dans un contexte urbain réel, le projet Lyon Confluence, pour analyser l'impact de deux modes d'aménagement des îlots étudiés : un aménagement minéral et un aménagement végétal. Cette dernière partie fait ressortir deux résultats principaux à savoir l'écart important entre des consommations énergétiques simulées en contexte théorique isolé et simulées en site urbain, puis, l'économie potentielle d'énergie entre deux choix d'aménagement urbain pour un même projet.

La conception de systèmes énergétiques innovants et la caractérisation du confort des occupants requièrent de d'être capable d'estimer les détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des zones des bâtiments. Les méthodes de modélisation permettant d'estimer ces détails, telles que les méthodes zonales et CFD, sont difficilement applicables à l'étude d'un bâtiment dans son ensemble et sur de longues périodes de temps. Notre étude consiste à proposer une plate-forme de simulation permettant dans un premier temps de traiter la plupart des zones du bâtiment et de son enveloppe à l'aide de l'approche nodale qui considère chacune des zones comme un volume parfaitement uniforme. Chaque zone est alors caractérisée par un seul noeud de calcul où sont déterminées les variables d'états (température, pression, concentration, etc.). Ensuite, il s'agit d'étudier les détails au sein d'un nombre limité de zones et d'estimer l'impact de ces détails sur le comportement global du bâtiment. Ainsi, nous proposons différentes méthodes de couplage entre d'une part la méthode nodale et d'autre part, les méthodes zonales et CFD. Après avoir présenté les différentes méthodes de modélisation retenues pour la détermination des transferts de masse et de chaleur dans les bâtiments, nous tentons de montrer l'intérêt d'utiliser l'une plutôt qu'une autre en fonction, des spécificités de chacune des zones, et de l'étude à effectuer. Ensuite, nous exposons la plate-forme de simulation développée, permettant de mettre en oeuvre aussi bien les approches nodales et zonales, que les différentes procédures de couplage dépendant du type d'association de modèles. Enfin, différentes applications viennent confirmer les capacités offertes par la plate-forme, pour moduler le niveau de finesse des modèles utilisés pour représenter chacune des zones d'un bâtiment, mais aussi pour proposer de nouvelles orientations de recherche. En effet, la dernière application présente une approche de couplage entre les approches zonale et CFD, dans laquelle la première tire la connaissance de la structure de l'écoulement de la seconde. L'outil développé apporte de nombreuses possibilités d'applications, aussi bien pour la caractérisation du bâtiment lui-même que de son intégration dans son environnement immédiat.

L'objectif de ce travail est de contribuer expérimentalement au développement d'un modèle de film liquide pour l'automobile. Nous présentons ici des expériences modèles d'écoulement de gouttes et films liquides dans des conditions de cisaillement et de gravité rencontrées dans l'industrie. Le ruissellement d'un film d'eau ou de gouttes de pluie sur un pare-brise est un phénomène important dans un contexte de sécurité des véhicules. Nous décrivons dans une première partie une expérience modèle de drainage d'un film liquide sur un plan incliné soumis à un contre-courant d'air. Cette expérience nous a conduit à développer une technique expérimentale permettant de visualiser facilement le profil d'épaisseur des films. Nous avons contribué à la caractérisation de l'écoulement du film par gravité en mettant en évidence différents régimes de développement d'ondes. Le contre-courant d'air s'oppose au drainage par gravité ; nous caractérisons le seuil en vitesse de vent qui permet au film liquide de faire marche arrière par entraînement aéraulique. Un tel film est souvent instable du point de vue du mouillage et se fragmente en gouttes et ruisselets. Nous nous intéressons dans une seconde partie au déplacement de gouttes sous l'effet du vent. Nous observons que ces gouttes ne commencent à se déplacer qu'à partir d'un certain seuil lié à l'hystérésis de l'angle de contact du liquide sur le solide. Au delà de ce seuil, la vitesse de la goutte augmente avec la vitesse du vent. Sa dynamique peut être décrite à partir d'un trio de nombres sans dimension qui tient compte des forces capillaires, visqueuses, aérodynamiques et du poids. Nous avons mis en évidence une recirculation contre-intuitive à l'intérieur de la goutte et l'avons quantifiée. Nous nous sommes enfin intéressés aux variations de la forme de la goutte sous l'effet du vent et aux interactions entre gouttes voisines.

Dans un contexte de raréfaction des ressources énergétiques et d'objectifs de diminution par 4 des émissions de gaz à effet de serre, le problème posé aux acteurs de l'industrie du bâtiment est d'élaborer des concepts de bâtiments à forte efficacité énergétique et de disposer des outils d'ingénierie capables de les évaluer. De nombreuses études et retours d'expériences sur des bâtiments atteignant des besoins annuels de chauffage inférieurs à 50 kWh.m-2. (incluant chauffage, climatisation, eau chaude sanitaire, éclairage et ventilation) montrent que la diminution des consommations énergétiques passe par une conception architecturale prenant en compte la compacité du bâtiment et la gestion des apports d'énergie passifs, une sur-isolation de l'enveloppe, la mise en place de free-cooling et d'une ventilation double-flux avec récupération de chaleur. Les performances de cette dernière technologie sont directement affectées par le renouvellement d'air naturel à travers les défautsd'étanchéité de l'enveloppe. Il paraît donc primordial de procéder à une évaluation plus fine de ces phénomènes. Un modèle de simulation aéraulique multizone est développé. Il permet d'évaluer les débits d'air dans le bâtiment et s'insère dans un outil d'aide à la conception thermique, COMFIE. Ce modèle est basé sur les hypothèses du mélange parfait et de la conservation de la masse pour chaque zone du bâtiment. Les débits d'air entre deux zones s'expriment en fonction de la différence de pression (causée par le vent et le tirage thermique) entre ces zones. Plusieurs sortes de connexions aérauliques sont implémentées dont les fissures, les entrées d'air et les grandes ouvertures. Le modèle aéraulique utilise les températures du modèle thermique pour qui les débits d'air sont aussi une donnée d'entrée. Les deux modèles sont donc couplés, via une méthode synchrone, jusqu'à ce qu'un critère de convergence soit atteint. Deux études de cas permettent de présenter les fonctionnalités du modèles : une opération de logement et un "concept building" de bâtiment urbain performant.

Cette étude a pour objet de montrer qu'il est possible de générer automatiquement des modèles zonaux pour l'étude du comportement thermique et aéraulique des bâtiments. Les modèles zonaux sont basés sur le partitionnement des pièces en un petit nombre de sous-volumes. Cette approche est intermédiaire entre celle des modèles à un noeud (qui considèrent que la température est homogène dans chaque pièce, et pour cette raison ne permettent pas de prédire le confort thermique dans une pièce) et celle des codes CFD (qui sont très coûteux en temps de calcul). Pour atteindre notre objectif, nous avons reformulé le modèle zonal. Ceci a consisté à regrouper les équations de description du comportement du bâtiment dans des sous-systèmes d'équations. Ce regroupement est calqué sur le découpage spatial des pièces. Ainsi, les équations de bilan et d'état appliquées à un sous-volumes forment les modules de la famille des « cellules » et celles de transfert entre deux sous-volumes forment les modules de la famille des « interfaces ». Ces familles sont constituées de plusieurs modèles correspondant aux différents types d'écoulement qui se développent dans les bâtiments. Ceux-ci ont été traduits en objets SPARK, lesquels forment la bibliothèque de modèles. Construire une simulation consiste à choisir les modèles appropriés pour décrire les pièces et à les connecter. Cette dernière étape a été automatisée, si bien qu'il ne reste plus à l'utilisateur qu'à donner le partitionnement et à choisir les modèles qu'il désire implémenter. Le système d'équations résultant est résolu par le solveur de SPARK. Des résultats de simulations pour différentes configurations d'écoulement dans des pièces sont présentés et comparés à des données expérimentales. Nous donnons également des exemples d'application de la méthode zonale à l'étude d'un groupe de deux pièces, d'un bâtiment et d'une pièce de géométrie complexe.

Situant le niveau d'approche des praticiens de l'habitat, le premier chapitre applique l'analyse systémique à la conception thermique. La décomposition résultante du bâtiment fait alors apparaître le sous-système zone thermique et jette les bases de la description de l'objet à étudier. L'état de l'art (et de l'offre logicielle) est ensuite abordé, révélant certaines demandes non satisfaites. Nous avons alors été amenés à définir le cahier des charges de notre travail, à savoir celui d'un outil multi-modèles de simulation détaillée et d'aide à la conception thermique de bâtiments multizones, intégrant en particulier les aspects aérauliques. Les chapitres II et III, traitant des modèles hygro-thermique et aéraulique, rappellent les hypothèses physiques, simplifications et modèles des phénomènes et explicitent nos choix d'intégration. En plus des modèles simplifiés classiques, certains modèles détaillés sont passés en revue, leur intégration à un code de calcul étant maintenant envisageable en raison de l'accroissement de la puissance disponible sur les machines de bureau. Vis à vis du compromis entre temps de calcul et précision, un modèle conductif original, anamorphose, est présenté et intégré. Désireux d'élargir le notre champ d'application au-delà du seul climat tempéré, une attention particulière est alors accordée aux échanges radiatifs entre l'enveloppe du bâtiment et l'extérieur. Par ailleurs, en raison d'un couplage aéraulique avec l'extérieur particulièrement important en climat tropical, une présentation détaillée des approches de modélisation des transferts d'air est effectuée. Avec l'intégration des grandes ouvertures et notre choix d'un modèle en pression, l'accent est mis sur les problèmes numériques alors rencontrés. Fruit de l'analyse conceptuelle et physique de l'objet bâtiment, l'architecture de l'outil logiciel, baptisé CODYRUN, fait l'objet du chapitre IV. L'environnement choisi et l'interface développée l'ont été en vue de faciliter sa diffusion ultérieure auprès de professionnels. L'organisation informatique est alors explicitée. La structure des données liées au bâtiment est explicitée et s'avère être complexe en raison de la diversité des situations pouvant être décrites (nombre de zones, constitution de l'enveloppe, intégration de systèmes, ...). Par ailleurs, en raison de la prise en compte simultanée des transferts thermiques, aérauliques et d'humidité, et du caractère novateur multi-modèle, il est nécessaire de détailler indépendamment l'algorithmique de chacune des parties et celle des procédures de couplage choisies. Des illustrations du logiciel et de notre approche de sa validation constituent le dernier chapitre. La démarche adoptée pour la validation est progressive et confirme l'importance des tests en régime permanent, pour chacun des aspects hygro-thermique et aéraulique. Avec successivement des comparaisons avec un autre code de calcul, la confrontation avec des mesures et des vérifications analytiques, une certaine fiabilité de la modélisation effectuée est manifeste. D'autres illustrations sont proposées, à savoir une étude de sensibilité à la répartition spatiale des sollicitations de courte longueur d'onde et l'illustration de l'intérêt numérique de l'application sélective des modèles, dans le de la convection intérieure.

Les flux d'air intérieurs, d'origine naturelle ou mécanique, participent de manière significative au transport de particules et aux transferts thermiques au sein des bâtiments. Que ce soit pour des raisons de santé et sécurité au travail, de confort thermique ou encore d'économie d'énergie, il est crucial de pouvoir les étudier sur place pour mieux les maîtriser. L'objectif de cette thèse aura été de développer une méthode permettant de mesurer sur site, la vitesse de flux d'air intérieurs sur de grands domaines d'observation (supérieurs au mètre carré). Pour cela, nous nous sommes tournés vers les techniques basées images qui consistent à suivre le mouvement de traceurs passifs introduits dans l'air pour en déduire une estimation de sa vitesse. Ce type de méthode est déjà largement utilisé en laboratoire de recherche pour étudier les écoulements dans des contextes bien maîtrisés. Cependant, le passage à la mesure sur le terrain et à l'observation grand champ nécessitent quelques adaptations. Ces adaptations concernent notamment le choix de nouveaux traceurs, l'éclairage ainsi que la méthode d'estimation de mouvement à partir de séquences d'images. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme d'estimation de mouvement permettant l'estimation de la vitesse aux grandes échelles à partir d'images de particules et d'images de scalaire. Nous avons ensuite éprouvé en soufflerie, sur des écoulements de couche de mélange et de sillage de cylindre, une méthode de mesure basée image grand champ n'utilisant qu'une seule caméra, un éclairage LED, des traceurs de type bulles ou fumée ainsi que l'algorithme évoqué plus haut. Nous avons confronté la mesure obtenue à une mesure réalisée par anémométrie à fil chaud. Les résultats de cette campagne de mesure ont montré la capacité de la méthode à mesurer les principales caractéristiques des écoulements considérés. Enfin, nous avons appliqué la méthode développée à une mesure sur site du flux d'aspiration d'une sorbonne de laboratoire en conditions réelles de fonctionnement. Cette mesure a permis de mettre en évidence des zones de forte turbulence et de recirculation, sources de fuites potentielles. / Whether for reasons of health and safety at work, thermal comfort or energy saving, it is crucial to study them on site to better control them. The objective of this thesis was to develop a method to measure on site, the speed of indoor air flows over large areas of observation (greater than a square meter). To this end, we turned to image-based techniques that consist in following the movement of passive tracers introduced into the air to infer an estimate of its velocity. This kind of method is already widely used in research laboratories to study flows in well-controlled contexts. However, the transition to on-site measurement and wide field of interest requires some adaptations. These adaptations concern, in particular, the choice of new tracers, the lighting system as well as the motion estimation method from image sequences. First, we developed a motion estimation algorithm that allows the estimation of large-scale velocities from particle images and scalar images. We then tested in our wind tunnel, on mixing layer and cylinder wake flows, a large-scale image-based measurement method using only one camera, a LED lighting system, bubbles or smoke tracers as well as the algorithm mentioned above. We compared the obtained measurement with a measurement carried out by hot-wire anemometry. The results of this measurement campaign showed the ability of the method to measure the main characteristics of the considered flows. Finally, we applied the developed method to an on-site measurement of the suction flow of a laboratory fume hood under real operating conditions. This measure has made it possible to highlight areas of high turbulence and recirculation, causing potential leakages.

L'objectif de ce travail est de modéliser les transferts d'air dans le bâtiment et d'étudier essentiellement l'influence des fluctuations spatio-temporelles du vent sur la ventilation et la qualité de l'air dans les logements. Après un rappel des phénomènes mis en jeu, les composants aérauliques du bâtiment sont modélisés. Le logement est considéré comme multizone en pression, tout en y intégrant la compressibilité de l'air dans (le sens) de grands volumes. Sur la base de ces modèles, des codes de calcul spécifiques sont élaborés. Des simulations sont effectuées en utilisant des fichiers de pressions de vent spatio-temporelles issues des mesures sur maquette en soufflerie atmosphérique. L'influence des fluctuations du vent ainsi que la compressibilité de l'air est étudiée. Les codes de calcul ont également été utilisés pour dimensionner les installations de ventilation et analyser leur comportement dans différentes configurations.

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.

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.