Dans ce mémoire on s'intéresse à la modélisation du changement de phase solide-liquide en convection naturelle et en convection forcée en utilisant l'équation de diffusion de la chaleur et une forme modifiée de la conductivité. Comme on ne cherche pas à résoudre le champ des vitesses, on intègre à l'intérieur de la conductivité modifiée les effets thermiques des mouvements convectifs, puis on résout l'équation de conduction en utilisant ces conductivités modifiées. L'objectif du mémoire est de prédire la position de l'interface solide-liquide en fonction du temps dans un processus de fusion ou de solidification en présence de convection, et ce avec un modèle conductif. Dans les deux cas types que nous avons traités, la valeur de la conductivité modifiée à utiliser dans le modèle conductif simplifié est d'abord estimée par une étude d'ordre de grandeur. Le premier cas type étudié est celui du changement de phase en présence de convection forcée se déroulant dans une conduite à paroi froide. On a réussi à développer une relation permettant d'obtenir la valeur de la conductivité modifiée directionnelle à utiliser dans le modèle conductif en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement ainsi que du facteur de forme de la conduite. Cette relation a montré de bons résultats en comparaison avec ceux issus d'un modèle numérique complet plus classique (CFD). Le deuxième cas type étudié est celui de la fusion d'un matériau sous l'effet de la convection naturelle à l'intérieur d'une enceinte. Nous avons réussi à paramétrer l'évolution des valeurs de conductivité modifiée à utiliser par notre modèle conductif, celles-ci sont fonction de l'avancement du front de fusion et du nombre de Nusselt. Cette modélisation est comparée à la fois avec les résultats fournis par un modèle numérique complet (CFD) mais aussi avec des résultats expérimentaux issus de la littérature. Ces comparaisons ont montré une bonne concordance entre notre modélisation et la réalité. / In this work we have developed an enhanced conduction model for predicting solid-liquid interface positions in convection-dominated phase-change processus. The flow field is not calculated and the effects of convection are taken into account via the modification of the material conductivity. Our objective is to obtain a good approximation of the solid-liquid interface evolution. It is shown that the enhanced thermal conductivity of the melt may be formulated in terms of directional thermal conductivity components and that their value may be correlated in terms of dimensional numbers obtained from an order of magnitude analysis. The proposed approach is then tested for two different cases. The first test case is devoted to forced convection dominated solidification in a duct while the second test case is concerned with buoyancy dominated melting in an enclosure. The results of the simulations using our conduction model are then compared with a full CFD model and in the case of melting in an enclosure experimental data, they show good agreements.

La gazéification des résidus solides urbains (RSU) est une technologie qui permet de produire de l'électricité, de la chaleur, du gaz de synthèse ou des biocarburants à partir de déchets qui seraient autrement enfouis. Elle aborde donc simultanément les problématiques environnementales de la gestion des matières résiduelles et de la production d'énergie renouvelable. Enerkem est une entreprise sherbrookoise qui se spécialise dans la gazéification de résidus de toutes sortes, dont les RSU. L'efficacité énergétique de son procédé pourrait augmentée de 5,6 à 11,2% par l'ajout d'un récupérateur de chaleur. Pour qu'il fonctionne correctement, celui-ci doit être installé avant le système de lavage, à une étape où le syngaz contient encore plusieurs contaminants. Ces contaminants sont déterminants dans la conception du récupérateur de chaleur puisqu'il est nécessaire de minimiser l'entartrage des surfaces d'échange pour en assurer la fiabilité à long terme. Ce projet de maîtrise vise à concevoir un récupérateur de chaleur pour augmenter l'efficacité énergétique du procédé d'Enerkem lors de la gazéification des RSU. Pour y arriver, les contaminants dans le syngaz issu de la gazéification des RSU ont été échantillonnés à l'usine pilote d'Enerkem. La caractérisation de ces contaminants a permis de trouver la concentration et la composition des goudrons ainsi que la concentration et la taille des particules contenus dans le syngaz. L'élaboration d'un modèle de calcul du point de rosée a ensuite permis de déterminer la température minimale du syngaz pour éviter la condensation des goudrons. Des gammes de vitesses de syngaz sont également identifiées en fonction des caractéristiques des particules. Une géométrie souhaitable pour le récupérateur de chaleur est ensuite identifiée à l'aide de références bibliographiques. À partir de cette configuration, des calculs de transfert de chaleur ont permis d'étudier le dimensionnement ainsi que les risques d'entartrage du récupérateur de chaleur en fonction de la variation de plusieurs conditions d'opération. Les paramètres variés sont les températures d'entrée et de sortie du syngaz, la vitesse d'écoulement ainsi que la pression du syngaz et du fluide d'échange, et finalement le diamètre des tubes dans le récupérateur. Ces calculs sont effectués pour quatre fluides d'échange différents, soit l'eau, l'air, la vapeur et l'huile thermique. Les fluides d'échange appropriés pour le récupérateur de chaleur sont identifiés. La dernière partie du projet consiste au dimensionnement d'un récupérateur de chaleur adapté à l'usine pilote d'Enerkem. Un fluide d'échange est choisi, de même qu'un matériau de fabrication résistant bien à la corrosion en milieu réducteur. Les dimensions du récupérateur sont calculées en fonction du débit nominal de syngaz de l'usine pilote ainsi qu'en considérant les limites d'espace du bâtiment. L'effet de l'entartrage du récupérateur est quantifié.

Résumé : Les propriétés thermiques des matériaux utilisées pour la construction des murs latéraux d’une cuve d’électrolyse de l’aluminium captent l’attention depuis les deux dernières décennies. Une bonne prédiction du comportement thermique dynamique des cellues Hall-Heroult, y compris une estimation précise des pertes d'énergie et de l'emplacement du gel sur le coté, est rendue possible lorsque les matériaux de coté sont bien caractérisés en fonction de la température. L'objectif de ce travail consiste à mesurer la diffusivité thermique, la capacité calorifique et la conductivité thermique du carbure de silicium, des matériaux carbones du coté (graphitique et graphitise) et de la cryolite à l’aide de techniques de caractérisation transitoires. La diffusivité thermique et la capacité de calorifique sont mesurées en utilisant respectivement un diffusivimètre thermique et un calorimètre à balayage différentiel. La conductivité thermique est calculée en supposant une masse volumique constante. La marge d'erreur sur la precision de chaque propriété thermique a également été calculée pour un nombre fini d'ensembles de données. Une conflation empirique a été élaborée pour chacune des propriétés pour décrire la relation avec la température en termes mathématiques. La caractérisation thermique de la chaleur latente dégagée lors de la fonte de la gelée de coté est également effectuée. Enfin, sur la base des calculs effectués avec un modele 2-D numérique, l'effet des erreurs de mesure entachant les différentes propriétés thermiques des matériaux du coté sur le comportement dynamique d'un réacteur à changement de phase de type laboratoire est également présenté. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de nouvelles études sur les propriétés thermiques des matériaux utilisés dans les cellules d’électrolyse de l'aluminium pour découvrir l’influence de l'environnement thermique intérieur de la cellule, pour estimer les pertes de chaleur et l'effet des additifs sur l’emplacement du front de solidification. // Abstract : The thermal properties of the sidewall lining materials are capturing attention since the last two decades. Good prediction of the dynamic thermal behaviour of Hall Heroult cells, including precise estimation of energy losses and location of the side ledge formed by the solidification of electrolytic bath, is made possible when the sidelining materials are well characterized in function of temperature. The present work aim at measuring the thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity of silicon carbide (SiC), graphitic and graphitized carbon materials and cryolite (NasAlFe) based on transient characterization techniques. The thermal diffusivity and the heat capacity are measured by using state-of-the-art transient laser flash analyzer and differential scanning calorimeter respectively. The thermal conductivity is calculated by assuming a constant density. The range of precision error for each thermal property is also calculated for a finite number of data sets. Empirical correlation has been drawn for each of the properties to describe the relation with temperature in mathematical terms. Thermal characterization of the latent heat evolved during the melting of ledge is also carried out. Finally, based on the calculations conducted with a 2-D numerical model, the effect of the precision errors of temperature varying thermal properties of the sidewall materials and ledge on the dynamic behaviour of a laboratory scale phase change reactor is also presented. The results, so obtained, encourage further studies on the thermal properties of materials used in the aluminium reduction cell to find out the thermal environment inside the cell, heat loss estimation and effect of the additives on the location of ledge.

This thesis deals with a numerical study of laminar, mixed convection flow associated with mass transfer and phase change in a parallel plate channel. The plates are maintained at a constant uniform temperature and the lower plate is covered by thin liquid water film. The liquid film is assumed to be extremely thin and its temperature is equal to the wall temperature. A 2D fully elliptical model, associated with the Boussinesq assumption, is used to take into account axial diffusion. The solution of this mathematical model is based on the finite volume method and the velocity-pressure coupling is handled by the SIMPLER algorithm. Combined buoyancy forces effects on laminar mixed in symmetrical isothermal channel were investigated. Results show that buoyancy forces have an important effect on the hydrodynamic field as well as on the heat and mass transfer characteristics. Thus, for cold plates and an upward hot air flow, these forces induce a flow reversal near the plates for high air temperatures and mass fractions. Additionally, heat transfer associated with phase change (i.e. latent heat transfer) is more important compared with sensible heat transfer. Flow reversal was investigated in symmetrical isothermal vertical channel and asymmetrical isothermal inclined channel. For the inclined channel, only the lower plate is wetted by a thin liquid water film while the other one is impermeable. We discuss the effect of the buoyancy forces on the hydrodynamic, heat and mass fields. Thus, these forces induce a flow reversal when there intensities are important. It is established that heat transfer associated with phase change is, sometimes, more significant than sensible heat transfer. Furthermore, this importance depends on the mass fraction gradient. The conditions for the existence of flow reversal are presented in charts and analytical expressions. These charts specify the critical thermal Grashof number as a function of the Reynolds number for different values of the solutal Grashof number and different channel inclinations.

Le but de la présente étude est d'élargir la base de connaissances sur l'écoulement et le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur à plaques. Pour cela, une étude expérimentale et des simulations numériques ont été réalisées. Le montage expérimental a servi à valider le modèle numérique et à explorer le régime de convection mixte. Le modèle numérique représente fidèlement l'ECP utilisé dans ce travail, qui contient deux canaux confinés par des plaques de type chevron. La validation a été faite pour le régime laminaire et pour le régime turbulent, dans lequel un modèle de turbulence a été choisi comme le plus adéquat, suite à une étude comparative entre plusieurs modèles. Le modèle numérique a été utilisé pour compléter les données expérimentales et pour explorer des niveaux intangibles expérimentalement. Ainsi, les champs thermique et d'écoulement dans cet ECP ont été étudiés pour deux combinaisons de fluide : eau - eau et eau - huile de moteur. On a mis en évidence la non-uniformité du champ de températures et le fait que pour ce type particulier d'ECP, les fluides suivent préférentiellement deux passages lisses situés le long des bords des canaux. La dépendance du nombre de Reynolds de ces phénomènes a été mise en évidence. Le modèle numérique a pu être modifié pour évaluer l'effet des canaux lisses périphériques sur le transfert de chaleur et les pertes de pression. Ce modèle consiste de la même géométrie, avec ces canaux périphériques obturés. Cette comparaison montre que l'absence des passages lisses provoque l'augmentation du transfert thermique et aussi, des pertes de pression. Une autre modification portant sur la comparaison des configurations verticale et en diagonale a été faite numériquement. Des différences quantitatives insignifiantes concernant les performances thermiques et hydrauliques ont été remarquées. Une investigation sur l'influence de la convection naturelle sur le transfert de chaleur et les pertes de pression a été faite. Dans ce but, le montage expérimental a été muni d'un pivot avec lequel l'ECP pouvait être inversé. On a conclu que la position de l'ECP influence significativement sur les performances thermiques et sur les pertes de pression dans le régime d'écoulement de faible nombre de Reynolds.

Une des composantes clefs pour l'amélioration de la qualité et de l'efficacité énergétique du procédé de cuisson est la capacité à modéliser et simuler celui-ci. Dû à la nature physique et géométrique de ce procédé très complexe, les techniques de Computational Fluid Dynamics (CFD) représentent un puissant outil de modélisation. Or, le recours aux méthodes CFD pour simuler la cuisson est une tendance récente et il n'y a pas encore de modèle couplant transfert de chaleur et de masse tout en considérant à la fois l'enceinte et le produit. Cette thèse présente un travail de recherche précurseur dans la modélisation CFD et multi-physique du procédé de cuisson, en particulier au niveau du couplage enceinte-produit. Dans un premier temps, considérant principalement l'enceinte, la simulation tridimensionnelle d'un four de laboratoire est réalisée en considérant le modèle k-epsilon realizable pour la turbulence et le modèle de radiosité S2S pour le rayonnement. En modélisant en détail un instrument de mesure au centre du four, la simulation est comparée aux mesures expérimentales. Il est ainsi démontré que la température des parois rayonnantes est un paramètre critique, due à la dominance du transfert par rayonnement. Une connaissance limitée de ces températures réduit la précision du modèle. Deuxièmement, afin de palier ce désavantage, une méthode inverse originale est développée afin de déterminer la température rayonnante des parois à partir de mesures d'un instrument placé au centre du four. Les résultats démontrent l'efficacité de la méthode tant dans sa capacité à retrouver les températures de parois que dans sa légèreté en coût de calcul. Ce dernier étant un avantage certain lorsque la méthode est implantée dans un code CFD, car ces codes sont intrinsèquement très intensifs en quantité de calcul. Finalement, un modèle couplant enceinte et produit en cuisson est modélisé et simulé. Le produit de cuisson est considéré multiphasique (eau liquide, vapeur et pâte sèche). Le changement de phase est modélisé avec une formulation originale où le taux d'évaporation obéit à une équation hors équilibre en dessous de 100°C, puis à une équation d'ébullition à partir de cette température. Grace à un maillage dynamique, un front d'évaporation est simulé pour la première fois en 2 dimensions Afin de tenir compte de la participation de l'humidité dans l'enceinte du four, le modèle de rayonnement Discrete Ordinates est utilisé. La simulation de l'évolution de la température ainsi que des phases liquide et vapeur dans le pain est en accord avec les comportements reconnus dans la littérature. Combiné à une corrélation reconnue pour le coefficient d'absorption, l'effet de l'humidité dans l'enceinte sur les flux de rayonnement est quantifié. Entre autre, une réduction significative de ces flux est observée lorsque les parois rayonnantes sont plus chaudes que l'air du four. La pose d'un modèle multi-physique englobant autant l'enceinte que le produit en cuisson est très prometteur pour l'amélioration du contrôle du procédé de cuisson. Ce travail de recherche développe un tel modèle et aboutit à des techniques originales de modélisation et de simulation propres à l'implantation dans les codes CFD.

Dans le contexte énergétique actuel une vraie chasse aux économies d'énergie est ouverte, spécialement dans le secteur du bâtiment qui constitue en Europe le secteur le plus énergivore. D'un côté les innovations technologiques sont importantes et les nouvelles constructions ont des consommations très inférieures aux anciennes. De l'autre côté, le taux de renouvellement de bâtiments et des systèmes n'est pas capable d'assumer à lui seul les objectifs de réduction de consommations et d'émissions de CO2 (Kyoto, facteur 4 etc.). Ce n'est donc qu'en s'intéressant à l'existant que de tels objectifs deviennent possibles. La climatisation est aujourd'hui un enjeu car le marché est en forte croissance (renforcé aussi par le réchauffement de la planète) et le stock européen est déjà important. La Directive de performance énergétique des bâtiments s'intéresse aux systèmes de climatisation en prévoyant l'inspection périodique des systèmes de plus de 12 kW. L'inspection vise à évaluer le bon fonctionnement du système et ensuite à proposer des actions d'amélioration. La thèse cherche à déterminer et quantifier les problèmes que les principaux systèmes de climatisation rencontrent pendant leur vie du point de vue technique. Il s'agit de savoir comment les détecter, quels sont les impacts énergétiques et les effets sur le confort. Les technologies de climatisation sont nombreuses et diversifiées selon le type et les besoins spécifiques du bâtiment. On a donc retenu deux types de système à analyser, les plus courants sur le marché européen : les climatiseurs split et les groupes de production d'eau glacée. Les caractéristiques des appareils représentatifs sont celles des technologies utilisées dans les années passées et couramment présentes dans le stock. Après avoir déterminé les défauts de fonctionnement les plus courants pour ces deux types de système, les défauts sont analysés du point de vue physique puis modélisés par des outils spécifiques bâtis à partir d'une structure existante, afin de mesurer les impacts sur les performances et de déterminer les paramètres mesurables qui caractérisent chaque défaut. Ensuite, on observe les effets des défauts dans un contexte plus proche de la réalité par des simulations qui incluent la dégradation des systèmes dans des bâtiments type avec des climats de référence. Une troisième étape de ce travail consiste à relier le niveau du défaut au temps afin d'observer la dégradation progressive et de pouvoir déterminer la fréquence des actions de correction optimisée en termes d'énergie et de coût. On peut ainsi obtenir une courbe de performance pluriannuelle avec ou sans action corrective ou préventive. La modélisation est l'outil principal de cette thèse car flexible et performant pour isoler l'effet de dégradation de chaque défaut. Surtout, le problème posé constitue un cas ou la vérification expérimentale est longue et où les différents effets s'additionnent. Ceci étant, tous les éléments expérimentaux recensés dans la littérature ont été utilisés pour valider les résultas et paramétrer certains modèles.

Le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire (ECS) constituent plus de 80 % de la consommation énergétique du secteur résidentiel en France. Le parc de la réhabilitation présente un très grand potentiel. Le remplacement des chaudières anciennes par des pompes à chaleur air/eau constitue un des moyens les plus efficaces pour la réduction des émissions des gaz à effet de serre. Les contraintes limitant le fonctionnement des PAC usuelles ont été identifiées. Un nouveau concept de PAC air/eau versatile (mono-étagée / bi-étagée) a été développé. Les fonctions principales de ce nouveau concept sont : le chauffage et le rafraîchissement, le fonctionnement sans appoint électrique, la production d'ECS en été et en hiver et le contrôle de la puissance par modification de l'architecture de compression. Les principaux résultats obtenus sont : Comparé à une PAC usuelle, le nouveau concept a permis des économies d'énergie s'élevant à 34,5 % et une réduction des émissions de CO2 jusqu'à 24 % en fonction du climat extérieur et du type d'émetteur de chaleur installé. Avec la hausse des prix du gaz et du fioul, le nouveau concept peut concurrencer en coût total les solutions de chauffage traditionnelles avec des chaudières performantes. Les émissions de CO2 sont réduites d'au moins un facteur de 4 comparativement à une chaudière au fioul ou au gaz. Des voies d'améliorations concernant une meilleure optimisation des cycles de givrage et dégivrage et de la production d'ECS en mode combiné avec le chauffage ainsi que le remplacement des compresseurs par d'autres plus performants sont possibles afin d'augmenter encore le COP saisonnier.

Un nouveau concept de stockage inter-saisonnier par absorption de l'énergie solaire pour l'habitat est développé dans cette thèse. Le processus est présenté et décrit. L'étude de la capacité de stockage, du rendement, de la pression de fonctionnement, du besoin de température pour l'énergie solaire, de la température possible pour le chauffage du bâtiment, des critères de sécurité et du coût des matériaux de sept couples d'absorption: CaCl2/H2O, Glycérine/H2O, KOH/H2O, LiBr/H2O, LiCl/H2O, NaOH/H2O et H2O/NH3 est effectuée à l'aide d'une simulation statique. Un prototype de démonstration de la faisabilité de ce concept innovant avec le couple CaCl2/H2O a été conçu, dimensionné et construit. Il est issu d'une optimisation minimisant le nombre de composants du système. Des expérimentations ont été effectuées à différentes conditions de fonctionnement. Les performances thermodynamiques et les différents problèmes du prototype sont analysés. Comme les résultats expérimentaux sont influencés par plusieurs facteurs tels que la présence d'air dans le système (en particulier pour la phase d'absorption), la précision des capteurs et des facteurs humains lors de l'opération, pour une meilleure compréhension du processus, une simulation dynamique est développée. Le fonctionnement optimal du prototype est alors étudié. Une simulation globale annuelle est effectuée afin d'étudier le fonctionnement annuel du système de stockage inter-saisonnier en lien avec un système solaire et un bâtiment. Les modèles du système de stockage, d'un capteur solaire, d'un bâtiment et des conditions météorologiques sont couplés. Les caractéristiques : pressions, températures, masses, fractions massiques, puissances échangées, rendements, capacités de stockage, etc. du système de stockage sont présentés et analysés.

La classification spectrale consiste à créer, à partir des éléments spectraux d'une matrice d'affinité gaussienne, un espace de dimension réduite dans lequel les données sont regroupées en classes. Cette méthode non supervisée est principalement basée sur la mesure d'affinité gaussienne, son paramètre et ses éléments spectraux. Cependant, les questions sur la séparabilité des classes dans l'espace de projection spectral et sur le choix du paramètre restent ouvertes. Dans un premier temps, le rôle du paramètre de l'affinité gaussienne sera étudié à travers des mesures de qualités et deux heuristiques pour le choix de ce paramètre seront proposées puis testées. Ensuite, le fonctionnement même de la méthode est étudié à travers les éléments spectraux de la matrice d'affinité gaussienne. En interprétant cette matrice comme la discrétisation du noyau de la chaleur définie sur l'espace entier et en utilisant les éléments finis, les vecteurs propres de la matrice affinité sont la représentation asymptotique de fonctions dont le support est inclus dans une seule composante connexe. Ces résultats permettent de définir des propriétés de classification et des conditions sur le paramètre gaussien. A partir de ces éléments théoriques, deux stratégies de parallélisation par décomposition en sous-domaines sont formulées et testées sur des exemples géométriques et de traitement d'images. Enfin dans le cadre non supervisé, le classification spectrale est appliquée, d'une part, dans le domaine de la génomique pour déterminer différents profils d'expression de gènes d'une légumineuse et, d'autre part dans le domaine de l'imagerie fonctionnelle TEP, pour segmenter des régions du cerveau présentant les mêmes courbes d'activités temporelles.