Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la société SCLE SFE (Groupe ENGIE) et le laboratoire Laplace. Elle porte sur le développement d’une méthodologie permettant d’élaborer des modèles dits « en similitude », à échelle de puissance et de temps réduites. Ces modèles peuvent servir pour l’analyse des systèmes mais ils sont en particulier utiles pour l’expérimentation en temps réel des systèmes énergétiques. En effet, les expérimentations sont très souvent menées à échelle réduite pour des questions de taille, de coût,… Certaines parties de ces expérimentations peuvent être « émulées » (simulées physiquement par des dispositifs de puissance) d’autres étant constitués de composants physiques : on parle alors de procédure Hardware in the Loop (HIL). Même si, à la base, la démarche de réduction d’échelle a une portée générale, notre gamme d’application principale concerne les micro réseaux avec intégration de sources renouvelables intermittentes couplées à des composants de stockage. En conséquence,nos travaux se focalisent sur la mise en œuvre de modèles de similitudes en puissance/énergie/temps de sources ENR et de stockeurs. La notion de réduction de temps, nous parlerons de « temps virtuel compacté », est un des concepts clés de ces travaux. Une attention particulière est portée sur le développement d’un émulateur physique de batterie électrochimique.En effet, le stockage d’énergie est un point clé dans un micro réseau. De plus, cet élément présente de fortes non-linéarités dont la mise en similitude doit impérativement tenir compte et n’est pas triviale. Une fois ces modèles développés, on les éprouve via la mise en œuvre d’essais en expérimentation simulée par émulateurs physiques à échelle de puissance réduite et en temps virtuel compacté. Ces essais permettent par ailleurs de confronter les notions d’émulateurs «copie-modèle », pour lequel un modèle est utilisé pour reproduire le comportement du système, et d’émulateurs « copie-image », où le comportement du système est reproduit à partir d’un de ses composants réels (par exemple une cellule pour la batterie).

Le vent est à l'origine d'une excitation mécanique chronique des arbres. Malgré tout, ils se développent continûment, par la croissance et la ramification. Il en résulte une grande variété de géométries, fonctions à la fois de l'espèce, et du milieu dans lequel l'arbre s'est développé. Tout au long de son existence, les caractéristiques dynamiques de l'arbre sont l'élément déterminant de son interaction avec le vent. Ainsi, cette thèse porte sur l'évolution et l'organisation spatiale de la dynamique des arbres au cours de leur développement. Une expérience de suivi des caractéristiques dynamiques de plantes, pendant leur développement, associée à un modèle mécanique de leurs oscillations en flexion, met en évidence le rôle de leurs croissances primaires et secondaires sur l'évolution temporelle de leurs fréquences naturelles. Une description générique de la géométrie de l'arbre, basée sur l'architecture et la biométrie, suivie d'une analyse dimensionnelle de sa dynamique vibratoire, permet de dériver une loi d'échelle décrivant l'organisation spatiale de ses caractéristiques dynamiques. Cette loi d'échelle est validée sur plusieurs cas d'arbres dont les caractéristiques dynamiques ont été déterminées expérimentalement ou numériquement. Une analyse dimensionnelle de l'interaction dynamique entre le vent et l'arbre permet de dériver des lois d'échelle décrivant la réponse multimodale de l'arbre au vent, et donc la répartition dans l'ensemble de l'arbre de sa réponse. Le rôle de la géométrie de l'arbre, et donc de son développement continu par la croissance et la ramification de ces axes, sur son interaction dynamique avec le vent, est ainsi quantitativement mis en évidence.

Les mini ou nanoémulsions sont des systèmes fréquemment rencontrés dans différents domaines : cosmétique, pharmaceutique, biomédical… Plusieurs procédés permettent la préparation de nanoémulsions. Cependant, ils présentent tous des limitations en termes de taille des gouttelettes, d’énergie de mélange, de rapport de viscosité entre les phases dispersées et continues, de gamme de pression à appliquer… Ce travail s’intéresse au développement d’un nouveau dispositif basé sur un écoulement élongationnel pour l’élaboration de miniémulsions de monomères. La démarche a consisté d’abord à étudier l’influence des paramètres liés au procédé proprement dit puis à la formulation du système sur la taille des gouttelettes. Cette étude a permis de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fragmentation des gouttes. Une analyse dimensionnelle a ensuite été développée afin de corréler les tailles obtenues aux paramètres étudiés, par l’utilisation des nombres adimensionnels appropriés. Finalement, des expériences de synthèse en miniémulsion ont été conduites pour tenter de combiner dans le même dispositif les fonctions d’émulsificateur et de réacteur de polymérisation, dans une perspective d’intensification du procédé. / Mini or nanoemulsions are widely used in different fields like cosmetic, pharmaceutic and biomedical… Different processes allow the preparation of nanoemulsions. However, they all present limitations in terms of droplet size, mixing energy, viscosity ratios, pressure ranges… This work focused on the development of a new process based on elongational flow for theelaboration of miniemulsions. The approach consisted in studying the influence of the process and formulation parameters on droplet sizes. This study allowed us to better understand the mechanisms of drop breakup. Then, a dimensional analysis was carried out in order to correlate the obtained droplet sizes to the studied parameters by the use of the appropriate dimensionless numbers. Finally, miniemulsion synthesis experiments were performed in order to try to combine, in the samedevice, both emulsification and polymerization, in the prospect of process intensification.

Les mini ou nanoémulsions sont des systèmes fréquemment rencontrés dans différents domaines : cosmétique, pharmaceutique, biomédical... Plusieurs procédés permettent la préparation de nanoémulsions. Cependant, ils présentent tous des limitations en termes de taille des gouttelettes, d'énergie de mélange, de rapport de viscosité entre les phases dispersées et continues, de gamme de pression à appliquer... Ce travail s'intéresse au développement d'un nouveau dispositif basé sur un écoulement élongationnel pour l'élaboration de miniémulsions de monomères. La démarche a consisté d'abord à étudier l'influence des paramètres liés au procédé proprement dit puis à la formulation du système sur la taille des gouttelettes. Cette étude a permis de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fragmentation des gouttes. Une analyse dimensionnelle a ensuite été développée afin de corréler les tailles obtenues aux paramètres étudiés, par l'utilisation des nombres adimensionnels appropriés. Finalement, des expériences de synthèse en miniémulsion ont été conduites pour tenter de combiner dans le même dispositif les fonctions d'émulsificateur et de réacteur de polymérisation, dans une perspective d'intensification du procédé.

Pour effectuer des simulations d'écoulement diphasique dans les réservoirs fracturés, l'usage des modèles DFM entraîne des temps de calculs exorbitants. L'une des solutions envisageables est le recours aux modèles double milieu. Ces modèles nécessitent la détermination des dimensions du bloc équivalent et la mise à l'échelle des paramètres d'écoulement monophasique et diphasique. Concernant les paramètres d'écoulement monophasique, des méthodes de mise à l'échelle existantes ont déjà fait leur preuve. En contrepartie la mise à l'échelle des paramètres d'écoulement diphasique reste un sujet ouvert nécessitant l'identification de la nature des forces (capillaires, gravitaires ou visqueuses) contrôlant l'écoulement dans le réservoir. Dans le cadre de cette thèse, les formulations mathématiques et les modèles numériques liées à la simulation de type DFM et double milieu ont été explorés. Une étude bibliographique portant sur les méthodes existantes de mise à l'échelle a été développée. Une nouvelle méthode de détermination des dimensions du bloc équivalent (méthode OBS) a été mise en place. Une analyse dimensionnelle servant à identifier la nature des échanges matrice-fractures (capillaire ou visqueuses) lors d'un écoulement diphasique eau-huile, sans gravité, a été mise en place. Le nombre capillaire dérivé a été testé. Enfin, une méthodologie de mise l'échelle des paramètres équivalents double milieu a été mise en place. Cette méthodologie traite le cas d'un écoulement diphasique dans les réservoirs fracturés ayant un milieu matriciel hétérogène dans un contexte d'échanges matrice-fractures dominés par les effets visqueux. / In order to carry-out two phase flow simulations within naturally fractured reservoirs, using DFM models results in huge computational costs. Using dual medium models is one of the available alternative solutions. These models require identifying the equivalent bloc dimensions and upscaling single phase and two phase flow parameters. Available upcaling methods related to single phase parameters reached maturity. Otherwise, upscaling two phase flow parameters is still an open research topic requiring identifying the type of the forces controlling flow in the fractured reservoir (gravity, capillary forces, and viscous forces). During this PhD work, mathematical and numerical models related to DFM and dual medium simulations were explored. A study of the state of the art related to upscaling methods was done. A new and original method allowing determining the dual medium equivalent bloc dimensions (OBS method) was settled down. A dimensional analysis aiming at identifying the type of the forces controlling matrix-fracture exchanges (capillarity, viscous forces) in a water-oil two phase flow within naturally fractured reservoirs without gravity was settled down. The derived capillary number was tested. Finally, an equivalent two phase flow parameters upscaling workflow was also settled down. This workflow treats the particular case of a two phase flow in naturally fractured reservoirs with an heterogeneous matrix medium in a context of matrix-fracture exchanges ruled by viscous forces.

La démarche de conception et de sûreté du réacteur ASTRID, démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium, implique la modélisation de scénarios d’accidents graves qui font intervenir une fusion du cœur du réacteur. L’objectif de la thèse, en soutien à cette modélisation, est de contribuer à l’identification des processus susceptibles de faire bifurquer un scénario d’accident grave. Deux phases d’un scénario sont traitées pour cela. Tout d’abord, le début d’une séquence de perte de débit primaire non protégée est analysé à l’aide d’un critère analytique développé pendant la thèse, visant à prédire la bifurcation de la décroissance du débit vers un état stabilisé ou bien vers un état instable, menant à la dégradation du cœur. Ce nouveau critère, qui présente l’intérêt de tenir compte de l’effet de l’évolution de la puissance sur la stabilité du débit, est vérifié à l’aide d’un outil de calcul dédié aux accidents de perte de débit non protégés. Dans un second temps, les processus prépondérants impliqués dans une vaporisation de combustible liquide suivie d’une détente de sa vapeur, consécutives à une excursion de puissance accidentelle, sont identifiés via une analyse dimensionnelle. En reprenant les résultats de cette analyse, un outil de calcul est par la suite développé, dont l’objet est de déterminer l’énergie mécanique transmise à la cuve du réacteur lors de la détente. La question du transfert thermique entre la vapeur de combustible se détendant et le caloporteur est particulièrement étudiée. Cet outil est validé via une comparaison à des résultats expérimentaux et à des résultats de calculs issus d’un autre code. Des études paramétriques permettent enfin de quantifier la variabilité des résultats due au choix de modélisation et aux incertitudes sur les données physiques employées. / Severe accidents’ modeling is required for the design and safety analysis of ASTRID, a Generation IV Sodium-cooled Fast Reactor under development in France. This thesis aims at contributing to identify the driving processes of ASTRID’s severe accidents scenarios. First, a stability criterion is developed to analyze the beginning of an unprotected loss of flow accident. This stability criterion assesses whether the decreasing flow is stable or unstable, leading to the core disassembly. This criterion also considers power variations during the loss of flow, which former stability criteria do not take into account. Then, the driving processes of a transient involving a fuel vaporisation followed by its vapor expansion are identified using a dimensional analysis. The simplifications justified by this dimensional analysis are considered further to develop a numerical tool that computes the mechanical energy transmitted to the core vessel in case of fuel vaporisation. The thermal exchange between the expanding fuel vapor and the sodium coolant is especially analyzed. The tool is validated by comparing its results to experimental measures and to another tool’s computations. In the end, parametric studies are done in order to assess the tool computations’ variability induced by physical uncertainties or modeling options.

Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la société SCLE SFE (Groupe ENGIE) et le laboratoire Laplace. Elle porte sur le développement d’une méthodologie permettant d’élaborer des modèles dits « en similitude », à échelle de puissance et de temps réduites. Ces modèles peuvent servir pour l’analyse des systèmes mais ils sont en particulier utiles pour l’expérimentation en temps réel des systèmes énergétiques. En effet, les expérimentations sont très souvent menées à échelle réduite pour des questions de taille, de coût,… Certaines parties de ces expérimentations peuvent être « émulées » (simulées physiquement par des dispositifs de puissance) d’autres étant constitués de composants physiques : on parle alors de procédure Hardware in the Loop (HIL). Même si, à la base, la démarche de réduction d’échelle a une portée générale, notre gamme d’application principale concerne les micro réseaux avec intégration de sources renouvelables intermittentes couplées à des composants de stockage. En conséquence,nos travaux se focalisent sur la mise en œuvre de modèles de similitudes en puissance/énergie/temps de sources ENR et de stockeurs. La notion de réduction de temps, nous parlerons de « temps virtuel compacté », est un des concepts clés de ces travaux. Une attention particulière est portée sur le développement d’un émulateur physique de batterie électrochimique.En effet, le stockage d’énergie est un point clé dans un micro réseau. De plus, cet élément présente de fortes non-linéarités dont la mise en similitude doit impérativement tenir compte et n’est pas triviale. Une fois ces modèles développés, on les éprouve via la mise en œuvre d’essais en expérimentation simulée par émulateurs physiques à échelle de puissance réduite et en temps virtuel compacté. Ces essais permettent par ailleurs de confronter les notions d’émulateurs «copie-modèle », pour lequel un modèle est utilisé pour reproduire le comportement du système, et d’émulateurs « copie-image », où le comportement du système est reproduit à partir d’un de ses composants réels (par exemple une cellule pour la batterie). / This thesis was carried out in collaboration with SCLE SFE (ENGIE Group) and the Laplacelaboratory. It focuses on the establishment of a methodology allowing the “similarity” modelsdevelopment, with reduced power and time scale. These models can be used for systems analysisbut they are particularly useful for real-time experimentation of energy systems. Indeed, theexperiments are often carried out on a small scale for issues of size, cost, … Some parts of theseexperiments can be "emulated" (physically simulated by power devices) while others consist ofphysical components: this is called the Hardware in the Loop (HIL) procedure. Although, initially,the downscaling approach is broad in scope, our main field of application is microgrids withintegration of intermittent renewable sources coupled with storage components. As a result, ourwork focuses on the implementation of power / energy / time similarity models of ENR sources andstorage facilities. The concept of time reduction, we will talk about "compacted virtual time", is oneof the key concepts of this work. Particular attention is paid to the development of a physicalemulator of electrochemical battery. Indeed, energy storage is a key point in microgrid. In addition,this element has strong nonlinearities whose scaling in similarity must imperatively take intoaccount and is not trivial. Once these models have been developed, they are tested through theimplementation of simulated experiments using physical emulators with reduced power scale andcompacted virtual time. These tests also make it possible to compare the concepts of "copymodel" emulators, for which a model is used to reproduce the behavior of the system, and "copyimage" emulators, where the behavior of the system is reproduced from of one of its realcomponents (for example a cell for the battery).

Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

La simulation des transferts couplés de chaleur et de masse dans l’enveloppe du bâtiment est une pratique qui se démocratise de plus en plus. Pour les bâtiments construits avec des matériaux très hygroscopiques, l'évaluation correcte des champs de température et d’humidité est importante pour prédire avec précision les flux de chaleur et d'humidité, le confort hygrothermique et la consommation énergétique des bâtiments. En outre, l'humidité peut causer des dommages aux matériaux de construction et a un impact sur la santé des occupants. Pour les matériaux très hygroscopiques, les outils de simulation ont montré des lacunes à modéliser correctement le comportement hygrothermique. Sur ces questions, le projet de recherche HYGRO-BAT est un projet fédérateur. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle suffisamment fin de transfert couplé de Chaleur, d’Air et d’Humidité (CAH) qui permet l’analyse des principaux phénomènes physiques mis en jeu. Afin de valider le modèle développé et d’étudier en détail le comportement hygrothermique d’une paroi très hygroscopique, nous avons conçu et réalisé un outil expérimental avec une instrumentation riche et variée permettant de simuler les contraintes rencontrées dans le cas réel. Le choix des sollicitations hygrothermiques retenues permet une compréhension progressive du modèle. De surcroît, pour simplifier l’analyse des mécanismes de transfert couplés au sein de la paroi, une formulation adimensionnée du modèle développé a été proposée, permettant ainsi de mettre en avant des nombres adimensionnels qui simplifient l’analyse du comportement d’une paroi très hygroscopique. Ces nombres permettent une nouvelle caractérisation représentative des mécanismes de transfert qui dépendent de l’état thermodynamique de la paroi / Simulation of Heat, Air and Moisture (HAM) transfers in building envelope is a practice which is becoming increasingly popular. The correct evaluation of temperature and moisture fields is important to predict accurately heat and moisture fluxes, hygrothermal comfort and building energy consumption, especially for highly hygroscopic materials. Additionally, moisture has an impact on the health of occupants and can causes damage to building materials. For highly hygroscopic materials, simulation models show discrepancy to the real hygrothermal behavior. The research project HYGRO-BAT is a unifying project on these issues. In this context, we developed a hygrothermal transfer model sufficiently fine allowing the analysis of the main physical phenomena involved. In order to validate the developed model and to study in detail the coupled heat and mass transfers for highly hygroscopic walls, we designed and realized an experimental tool that allows numerous and various measurement and creating climates encountered for building application. The choice of hygrothermal loading allows progressive understanding of involved physical mechanisms in the envelope. Moreover, to simplify the analysis, a dimensionless hygrothermal formulation was proposed. It allows highlighting dimensionless numbers which are very convenient to study the behavior of a very hygroscopic wall. These numbers allow a new representative characterization of transfer mechanisms that rely on the thermodynamic state of the wall

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.