This thesis is dedicated to the study of the interaction between a gas jet and a liquid film on a moving surface. This flow configuration corresponds to the gas-jet wiping technique, which is widely used in the coating industry to reduce and control the thickness of a liquid film dragged by a moving substrate. For that purpose, a turbulent slot jet impinges on the liquid surface, involving a runback flow and consequently a lower coating thickness downstream wiping. The different process parameters (nozzle pressure, nozzle to substrate standoff distance, slot width, substrate speed) allow controlling the final film thickness. This metering technique is very common in coating processes, such as the application of gelatin layers on photographic films.<p><p>The first part of this thesis deals with the prediction of the mean jet wiping flow, i.e. the film thickness distribution in the wiping region. A lubrication model is developed for that purpose, which is simplified to a zero-dimensional model giving directly the final thickness<p><p>In the second part, the prediction of splashing occurrence in jet wiping is addressed. The splashing phenomenon in jet wiping is featured by the ejection of droplets from the runback flow, and it constitutes a physical limit to the process. An experimental investigation is conducted on a water model facility, and based on a phenomenological description, a dimensionless correlation in terms of film Reynolds number and jet Weber number is derived for splashing occurrence. The latter is perfectly well validated with observations on industrial lines.<p><p>The last part of this thesis is dedicated to the study of the unsteady phenomena occurring on the free surface of the liquid film downstream wiping. This phenomenon has never been understood nor characterized up to now. In the present research, undulation is investigated both theoretically and experimentally. Two model test facilities with dedicated measurement techniques have been designed and constructed. They allow performing parametric studies of the undulation characteristics (amplitude, wavelength, wave velocity), and analyzing the jet/film interaction.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis presents the derivation of the theory leading to the determination of the governing equations of chemically reacting flows under local thermodynamic equilibrium, which rigorously takes into account effects of elemental (de)mixing. As a result, new transport coefficients appear in the equations allowing a quantitative predictions and helping to gain deeper insight into the physics of chemically reacting flows at and near local equilibrium. These transport coefficients have been computed for both air and carbon dioxide mixtures allowing the application of this theory to both Earth and Mars entry problems in the framework of the methodology for the determination of the catalytic activity of Thermal Protections Systems (TPS) materials.<p>Firstly, we analyze the influence of elemental fraction variations on the computation of thermochemical equilibrium flows for both air and carbon dioxide mixtures. To this end, the equilibrium computations are compared with several chemical regimes to better analyze the influence of chemistry on wall heat flux and to observe the elemental fractions behavior along a stagnation line. The results of several computations are presented to highlight the effects of elemental demixing on the stagnation point heat flux and chemical equilibrium composition for air and carbon dioxide mixtures. Moreover, in the chemical nonequilibrium computations, the characteristic time of chemistry is artificially decreased and in the limit the chemical equilibrium regime, with variable elemental fractions, is achieved. Then, we apply the closed form of the equations governing the behavior of local thermodynamic equilibrium flows, accounting for the variation in local elemental concentrations in a rigorous manner, to simulate heat and mass transfer in CO2/N2 mixtures. This allows for the analysis of the boundary layer near the stagnation point of a hypersonic vehicle entering the true Martian atmosphere. The results obtained using this formulation are compared with those obtained using a previous form of the equations where the diffusive fluxes of elements are computed as a linear combination of the species diffusive fluxes. This not only validates the new formulation but also highlights its advantages with respect to the previous one :by using and analyzing the full set of equilibrium transport coefficients we arrive at a deep understanding of the mass and heat transfer for a CO2/N2 mixture.<p>Secondly, we present and analyze detailed numerical simulations of high-pressure inductively coupled air plasma flows both in the torch and in the test chamber using two different mathematical formulations: an extended chemical non-equilibrium formalism including finite rate chemistry and a form of the equations valid in the limit of local thermodynamic equilibrium and accounting for the demixing of chemical elements. Simulations at various operating pressures indicate that significant demixing of oxygen and nitrogen occurs, regardless of the degree of nonequilibrium in the plasma. As the operating pressure is increased, chemistry becomes increasingly fast and the nonequilibrium results correctly approach the results obtained assuming local thermodynamic equilibrium, supporting the validity of the proposed local equilibrium formulation. A similar analysis is conducted for CO2 plasma flows, showing the importance of elemental diffusion on the plasma behavior in the VKI plasmatron torch.<p>Thirdly, the extension of numerical tools developed at the von Karman Institute, required within the methodology for the determination of catalycity properties for thermal protection system materials, has been completed for CO2 flows. Non equilibrium stagnation line computations have been performed for several outer edge conditions in order to analyze the influence of the chemical models for bulk reactions. Moreover, wall surface reactions have been examined, and the importance of several recombination processes has been discussed. This analysis has revealed the limits of the model currently used, leading to the proposal of an alternative approach for the description of the flow-surface interaction. Finally the effects of outer edge elemental fractions on the heat flux map is analyzed, showing the need to add them to the list of parameters of the methodology currently used to determine catalycity properties of thermal protection materials. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Étude d'un système innovant magnétothermique pour le chauffage et la climatisation sans gaz à effet de serre : application à un véhicule électrique.Ce travail de thèse est destiné à l'étude d'un système de climatisation et de chauffage basé sur la réfrigération magnétique. L'étude de ce système basé sur l'effet magnétocalorique (EMC)est structurée en deux parties: la première représente l'état de l'art, c'est-à-dire une analyse bibliographique des principaux systèmes de climatisation existants, des différentes études relatives à la modélisation numérique des systèmes de réfrigération magnétique, et les études ·les plus récentes concernant l'écoulement et le transfert thermique dans les microcanaux constituants la matrice du régénérateur magnétocalorique actif étudié dans cette thèse. Ensuite la deuxième partie comporte l'étude du coefficient de transfert thermique h entre le régénérateur solide et le fluide caloporteur, et la simulation du comportement d'un cycle AMR. Un modèle numérique est développé pour chacune des études. Le premier modèle permet de calculer le coefficient de transfert convectif h et d'évaluer l'influence sur ce même coefficient de la hauteur des canaux Hc et de la vitesse du fluide Vf, en considérant deux types de canaux: canaux à parois lisses et canaux à parois rugueuses. Ainsi l'effet de la rugosité de surface des matériaux sur l'écoulement et le transfert thermique est déterminé, et l'augmentation résultante de h est évaluée. Dans cette même partie une approche de dimensionnement du système de climatisation basé sur un cycle AMR est proposée pour application à la climatisation d'un véhicule électrique. Enfin ce travail est conclu par une synthèse comprenant les contributions de ce travail, ses limites, et les perspectives qui en découlent. / This work is intended for the study of an air conditioning system and heating based on themagnetic refrigeration. The study of this system based on the magnetocaloric effect (MCE) ismade in two parts: the first one represents the state of the art, that is a bibliographical analysis of the main existing air conditioning systems, the various studies relative to the numerical modelling of the magnetic refrigeration systems, and the most recent studies concerning fluid flow and heat transfer in the microchannels which constitute the matrix of the active magnetic regenerator studied in this work. Then the second part contains the study of the heat transfer coefficient h, between the solid regenerator and the coolant, and the simulation of the behaviour of an Active Magnetic Regeneration cycle. A numerical mode! is developed for each of the studies. The first one enables to calculate the convective heat transfer coefficient and to estimate the influence of the charmels height Hc and the fluid velocity Vf on the heat transfer coefficient.Two types of charmels are considered: charmels with smooth walls and charmels with rough walls. So the effect of the surface roughness of the magnetocaloric material on the fluid flow and the heat transfer is determined, and the resulting increase of h is estimated. An approach of sizing the air conditioning system based on a cycle AMR is proposed for an application in theair conditioning of a battery-driven vehicle. Finally this work is concluded by a synthesis including the contributions of this work, its limits, and the perspectives which ensue from it.

La pollution atmosphérique et ses conséquences sur la santé et l'environnement constituent un domaine d'étude complexe à cause du nombre de phénomènes physiques mis en jeu. L'objectif de ce travail est d'étudier les principales caractéristiques de l'écoulement et de la dispersion d'un scalaire passif au sein de la canopée urbaine. Pour ce faire, un code numérique a été développé. Il résout les équations de Navier-Stokes dans le cadre d'un écoulement incompressible pour une atmosphère neutre en faisant usage de la méthode de la compressibilité artificielle selon la méthode des volumes finis. Le modèle de Spalart-Allmaras a été utilisé pour la modélisation de la turbulence. La canopée urbaine est explicitement prise en compte et est modélisée par un groupe d'obstacles de forme cubique. Le code fut d'abord testé pour des configurations bidimensionnelles avec un seul et 4 obstacles en configuration alignée selon deux approches : une simulation stationnaire RANS et instationnaire URANS qui reproduit le décrochement tourbillonnaire. La prise en compte du décrochement tourbillonnaire se traduit par une diffusion dans le sillage turbulent du groupe d'obstacles. Les résultats ont été comparés à des mesures expérimentales et d'autres résultats numériques de référence dans la bibliographie et montrent l'amélioration du champ de vitesse moyen par l'approche code fut ensuite testé sur un cas tridimensionnel avec un groupe d'obstacles organisés selon 2 configurations géométriques: alignée et en quinconce. Afin d'éliminer les effets des conditions aux limites, l'écoulement fut calculé sur un volume élémentaire de calcul en utilisant des conditions aux limites périodiques. Deux types de simulations furent réalisés: l'approche RANS classique et la version DDES du modèle de Spalart-Allmaras. L'écoulement obtenu par la DDES améliore de façon significative les résultats par rapport au RANS en comparaison de mesures expérimentales de simulation directe et montrent la bonne potentialité du modèle. La dispersion d'un scalaire passif émis au sein de la canopée fut obtenue sur un domaine plus important comprenant 16 volumes élémentaires par le biais des conditions aux limites périodiques utilisées. Une analyse du champ de concentration a ensuite été réalisée et des comparaisons effectuées en fonction du type de calcul et de la configuration géométrique. / Atmospheric pollution and its impact on health and the environment depend on many physical phenomena, and this makes it a difficult subject to study. The main objective of this work is to investigate the main characteristics of the flow and dispersion of a passive scalar in the urban canopy. Specifically, the urban canopy is simulated by a group of cubical obstacles in a neutrally-buoyant atmospheric boundary layer. A numerical code bas been developed as a tool to aid in this study; flow is computed by solving the Navier-Stokes equations for an incompressible flow, using a finite volume approach, and the method of artificial compressibility. The turbulence is modeled using the method proposed by Spalart and Allmaras. The code was tested first in a 2-D configuration, for flow over a single obstacle, and over a group of 4 obstacles; in both cases two types of simulation were studied: a stationary RANS simulation, and an unsteady RANS (URANS), which reproduced vortex shedding from the obstacles. The explicit inclusion of vortex shedding in the URANS simulation leads to diffusion in the obstacle wakes, and the results compare better with experimental measurements and other published numerical simulations than do those for the RANS simulations. The code was then tested for some 3-D cases consisting of a group of obstacles arrangcd either in aligned or staggered configurations. In order to avoid the influence of boundary conditions, the flow field was simulated using periodic boundary conditions and a small sub-unit from the group of obstacles. Two types of simulation were performed: a classical RANS type calculation and the DDES proposed by Spalart and Allmaras. The results obtained using the ODES agree much more closely with experimental measurements and the results of other numerical simulations than do those obtained using RANS, and indicate the potential of this approach. The dispersion of a passive scalar in the urban canopy was simulated on a much larger domain consisting of 16 of the sub-units used to compute the flow field. The concentration fields were analyzed to show the influence of the geometrical configuration and the type of model.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de la collision et l'agglomération de particules colloïdales dans un écoulement fluide turbulent par une nouvelle méthode. Ces particules sont sensibles dans une même mesure aux effets brownien et turbulent. La première partie du travail concerne la modélisation du phénomène physique,allant du transport des particules jusqu'à la modélisation des forces d'adhésion physico-chimiques en passant par l'étape cruciale qui est la détection des interactions entre les particules (collisions). Cette détection des collisions est dans un premier temps étudiée par rapport aux algorithmes classiques existants dans la littérature. Bien que très efficaces dans le cadre de particules soumises à l'agitation turbulente, les conclusions de cette partie exposent les limites des méthodes existantes en termes de coûts numériques, pour le traitement d'un ensemble de colloïdes soumis au mouvement brownien. La seconde partie du travail oriente alors les travaux vers une vision novatrice du phénomène physique considéré. Le caractère diffusif aléatoire est alors considéré d'un point de vu stochastique, comme un processus conditionné dans l'espace et dans le temps. Ainsi, une nouvelle méthode de détection et de traitement des collisions de particules soumises exclusivement à un mouvement diffusif est présentée et validée, exposant un gain considérable en termes de coûts numériques. Le potentiel de cette nouvelle approche est validé et ouvre de nombreuses pistes de réflexion dans l'utilisation des méthodes stochastiques appliqués à la représentation de la physique / Ph.D thesis focuses on modeling and numerical simulation of collision and agglomeration of colloidal particles in a turbulent flow by using a new method. These particles are affected by both Brownian and turbulent effects. The first part of the work deals with current models of the physical phenomenon, from the transport of single particles to a model for physico-chemical adhesive forces, and points out the critical step which is the detection of interactions between particles (collisions). This detection is initially studied by applying classical algorithms existing in the literature. Although they are very efficient in the context of particles subject to turbulent agitation, first conclusions show the limitations of these existing methods in terms of numerical costs, considering the treatment of colloids subject to the Brownian motion. The second part of this work proposes a new vision of the physical phenomenon focusing on the random diffusive behaviour. This issue is adressed from a stochastic point of view as a process conditionned in space and time. Thus, a new method for the detection and treatment of collisions is presented and validated, which represents considerable gain in terms of numerical cost. The potential of this new approach is validated and opens new opportunities for the use of stochastic methods applied to the representation of physics

Les accidents graves résultant de la fusion d’un coeur de réacteur nucléaire doivent être anticipés pour améliorer l’efficacité de leur mitigation. De tels accidents sont survenus à TMI-2 (1979) et à Fukushima (2011). Suite à un accident de perte de refroidissement, l’échauffement du coeur et l’oxydation de la gaine de combustible suivie d’un renoyage (injection d’eau) peuvent entraîner l’effondrement des barres de combustible et la formation d’un lit de débris dans le coeur. La vapeur produite lors du renoyage peut activer l’oxydation exothermique du Zircaloy, entraînant la fusion partielle des matériaux. Cette évolution engendre des zones à porosité réduite limitant la pénétration de l’eau et/ou des zones imperméables. Dans cette situation, l’efficacité de l’injection d’eau dans le coeur pour arrêter la progression de la dégradation et empêcher la fusion du coeur du réacteur peut être considérablement réduite. Dans ce cadre, l’IRSN a lancé le programme PEARL visant à étudier la thermohydraulique du renoyage des lits de débris chauds entourés d’une zone plus perméable simulant la présence de zones intactes ou moins endommagées dans le coeur. Dans cette thèse, les expériences PEARL ont été modélisées et simulées avec ICARE/CATHARE pour évaluer l’évolution d’un renoyage d’un lit de débris surchauffé entouré d’un bypass de perméabilité plus grande. La thermohydraulique du processus a été analysée et l’effet de différents paramètres (géométrie, conditions aux limites) sur le comportement de renoyage a été évalué. Sous certaines conditions, l’entraînement de l’eau dans le bypass a été identifié et évalué. Un modèle analytique a été mis au point ensuite pour étudier de façon approfondie le renoyage d’un milieu poreux hétérogène surchauffé composé de deux lits de débris de perméabilité et de porosité différentes et pour décrire l’entraînement de l’eau dans le bypass. Ce modèle calcule les principales variables caractérisant le processus de renoyage, telles que la vitesse du front de trempe, le taux de conversion eau-vapeur et le débit d’eau entraîné dans le bypass.Il fournit de bons résultats qualitatifs et quantitatifs concernant la redistribution du débit d’eau par rapport aux résultats expérimentaux. Ce modèle a plusieurs avantages. Il est écrit sous une forme plutôt générale incluant les termes de correction de Forchheimer et les termes croisés non nuls dans l’équation de Darcy-Forchheimer généralisée. Les différentes options des équations de quantité de mouvement proposées, y compris les changements dans les corrélations et les lois de frottement interfacial, peuvent être testées facilement. La comparaison des calculs avec les résultats expérimentaux indique qu’il est nécessaire d’inclure une loi de frottement interfacial pour obtenir de bonnes prédictions. L’extrapolation à l’échelle du réacteur est simple et des calculs ont été effectués pour évaluer l’impact des paramètres géométriques du lit de débris (granulométrie, porosité, dimensions) ainsi que les conditions thermiques et hydrauliques (température, pression, débit d’injection). Ainsi, le modèle est très utile pour estimer le temps de trempe total et latempérature maximale qui pourraient être atteinte dans le lit de débris à grande échelle. Cela permet d’évaluer la probabilité de réussite du renoyage d’un lit de débris chauds formé lors d’un scénario accidentel hypothétique. / Severe accidents arising from the fusion of a nuclear reactor core must be anticipated to enhance the efficiency of their mitigation. Such accidents have occurred at TMI-2 (1979) and Fukushima (2011). Following a loss of coolant accident, core heating and oxidation of the fuel cladding followed by reflooding (injection of water) may lead to the collapse of fuel rods and formation of porous debris bed in the core. Steam produced upon reflooding may activate the exothermic oxidation of Zircaloy leading to partial melting of materials. Such evolution generates zones with reduced porosity limiting coolant penetration and/or impermeable blocked zones. In this situation, the efficiency of injecting water into the core to stop the progress of degradation and prevent the reactor core melting may be significantly reduced. In this scope, IRSN launched PEARL program to investigate the thermal hydraulics of reflooding of hot debris beds surrounded by a more permeable zone simulating the presence of intact or less damaged zones in the core. The PEARL experiments were modeled and simulated using ICARE/CATHARE code to assess the evolution of a bottom reflooding of a superheated debris bed surrounded by a bypass of larger permeability. The thermal hydraulics of the quenching process has been analyzed and the effect of each of the initial conditions on the reflooding behavior was assessed. The effect of pressure was investigated and related to the entrainment of injected water at quench front level into the bypass. An analytical model was then developed to investigate thoroughly the reflooding of a superheated heterogeneous porous medium, composed of two layers of contrasting permeability and porosity, and to describe the water entrainment in the bypass. This model computes the main variables characterizing the reflooding process such as quench front velocity, water-to-steam conversion ratio, and the flow rate of water entrained in the bypass. It provides good qualitative and quantitative results for the two-phase flow redistribution as compared to experimental results. This model has several advantages. It is written in a rather general form including the Forchheimer correction terms and non-zero cross-terms in the generalized Darcy-Forchheimer momentum equation. Variations of proposed momentum equations including changes in correlations andinterfacial friction laws can be tested easily and efficiently. Comparison of the calculations against experimental results indicated that it is necessary to include an interfacial friction law to obtain good predictions. This model allows performing fast evaluations of the efficiency of cooling bycomputing the fraction of the injected flow rate that participates in cooling. Upscaling to the reactor scale is straightforward and calculations were performed to assess the impact of geometric parameters of the debris bed (particle size, porosity, dimensions) as well as thermal hydraulic conditions (temperature, pressure, injection flow rate) on the reflooding process. Thus the model is very useful to estimate the total quenching time and the maximum temperature that could be reached by the hot debris bed at large scales. This allows assessing the probability of a successful quenching of a hot debris bed formed during a hypothetical accidental scenario.

Ce travail est une contribution expérimentale à l’étude rhéologique et en écoulement de fluides complexes (à seuil et thixotropes) transitant dans un circuit hydraulique. Il s’agit notamment de suspensions de bentonite ainsi que des complexes bentonite/polymère. L’étude porte sur l’évolution des pertes de charge et des champs de vitesse et se situe en régime laminaire, transitoire et turbulent. L’étude a été réalisée en utilisant un vélocimètre ultrasonore Doppler pulsé développé au laboratoire. Dans la première partie expérimentale de la thèse, des mesures rhéologiques et en écoulement ont été effectuées sur des suspensions de bentonite pures (sans additifs) à différentes concentrations. A partir des essais sur boucle hydraulique, une étude détaillée est présentée sur l’évolution des coefficients de frottement et des profils de vitesse pour les différents régimes d’écoulement. Dans une seconde partie, une suspension de bentonite pure et des mélanges bentonite/CMC à différentes concentrations massiques ont été étudiées en termes de comportement rhéologique et hydrodynamique en écoulement en conduite. En ce qui concerne les mesures effectuées en boucle hydraulique, il a été montré que le polymère a des propriétés viscosifiantes en régime laminaire. Par contre, en régime turbulent, le polymère agit comme un réducteur de frottement. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l’étude de l’influence de la température sur le comportement rhéologique des solutions de polymère et des mélanges argile/polymère. Les mesures rhéologiques à différents paliers de températures ainsi que les balayages en température ont mis en évidence le caractère thermodépendant des dispersions. / This experimental work is a contribution to the study of rheological and pipe flow proprieties of complex fluids (yield stress and thixotropic). Bentonite suspensions and mixtures containing bentonite and carboxymethyl cellulose were investigated. The axial velocity distribution was determined using ultrasonic pulsed Doppler velocimetry technique. In the first experimental part of the thesis, rheological and pipe flow measurements were performed for pure bentonite suspensions at different concentrations. A detailed study is presented on the evolution of the friction factors and velocity profiles for different flow regimes. In a second part, suspension of bentonite and mixtures of bentonite / CMC at different mass concentrations of polymer were studied in terms of their rheological and hydrodynamic flow behavior. It was shown that the polymer has viscosifying properties in laminar regime. However, in the turbulent regime, the polymer acts as a friction reducer. The last part of the thesis was devoted to the study of the effect of temperature on the rheological behavior of polymer solutions and mixtures of clay / polymer. The rheological measurements at different temperatures showed a thermodependent character of the different fluids.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation. / A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

Dans cette thèse, on utilise des outils mathématiques et numériques pour modéliser les écoulements tridimensionnels incompressibles à surface libre instationnaires. L'application industrielle visée est l'étude de la phase de remplissage des moules dans une fonderie. On développe un algorithme pour le transport de l'interface par la vitesse du fluide pour un fluide diphasique incompressible visqueux non-miscible de rapport de densité important en utilisant la méthode de caractéristiques pour traiter le problème de convection. Il y a des défis majeurs dans le contexte de la modélisation des fluides diphasiques. Tout d'abord, on doit prendre en considération l'évolution de l'interface et de ses changements topologiques. Deuxièmement, on doit traiter la non-linéarité convective de l'interface et de l'écoulement. Troisièmement, les équations de Navier-Stokes et du transport doivent être munies des conditions aux bords appropriées. En outre, il faut traiter soigneusement les singularités géométriques et topologiques à travers l'interface en particulier dans le cas de rapport de densité et viscosité important. On doit également maintenir la résolution d'une interface d'épaisseur nulle durant les cas du pliage, la rupture et la fusion de l'interface. Quatrièmement, on doit respecter les propriétés physiques telles que la conservation de la masse pour tout écoulement d'un fluide incompressible. Cinquièmement, il faut toujours penser aux limitations du temps de calcul et de mémoire pour résoudre ce genre de problème dans les cas pratiques. Notre but est de trouver un schéma fiable capable de modéliser le remplissage des moules tridimensionnelles industrielles. La première partie de cette thèse est dédiée à la description mathématique du schéma de transport de l'interface par la vitesse du fluide. Le mouvement des fluides est décrit par les équations de Navier-Stokes. L'interface est capturée par la fonction Level-Set. Le problème est discrétisée en espace par la méthode des éléments finis et en temps par la méthode de caractéristiques.Des conditions aux bords appropriées pour le problème du remplissage d'un moule sont introduites et un algorithme de calcul de la solution est présentée. Finalement,des résultats numériques montrent et valident l'efficacité duschéma proposé. Dans la deuxième partie de cette thèse, on introduit une méthode de décomposition de domaine qui correspond à la discrétisation par la méthode des caractéristiques dans le but d'améliorer la performance de l'algorithme proposé lors de la modélisation du remplissage des moules industrielles à moyennes séries. Des résultats numériques de comparaison valident la précision du code parallèle. / In this thesis, we use mathematical and numerical tools to model three dimensional incompressible laminar flows with free surface. The described industrial application is the study of the mould filling phase in a foundry. We develop an algorithm for the transport of the interface by the fluid velocity for a viscous incompressible immiscible fluids of high density ratio in two-phase flow using the method of characteristics for the convection problem.There are, however, major challenges in the context of two-phase flow modeling.First, we have to take into account the evolution of the interface and its topological changes. Second, we have to deal with the non-linearity for the convection of the flow and the interface. Third, we must assign appropriate boundary conditions to the flow and transport equations.In addition, care must be taken in treating the geometrical and topological singularities across the interface.We also have to maintain a sharp interface resolution, including the cases of interface folding, breaking and merging.Furthermore, we should respect the physical properties such as the mass conservation for any incompressible fluid flows.Finally, we have to keep in mind the limitations in the time of computation and memory to solve this kind of problem in practical cases. Our purpose is to find a reliable scheme able to model the filling of three dimensional industrial moulds.The first part of the thesis is devoted to the mathematical description of the interface transport scheme by the fluid velocity. The fluids motion is described by the Navier-Stokes equations. The interface is captured by the Level-Set function. The problem isdiscretized by the characteristics method in time and finiteelements method in space. The interface is captured by the Level-Setfunction. Appropriate boundary conditions for the problem ofmould filling are investigated, a new natural boundary conditionunder pressure effect for the transport equation is proposed andan algorithm for computing the solution is presented. Finally,numerical experiments show and validate the effectiveness of theproposed scheme.In the second part of the thesis, we introduce a domain decomposition method that suits the discretization by the method of characteristics in order to improve the performance of the proposed algorithm to model the filling phase for moulds of medium series. Numerical results of comparison validate the precision of the parallel code.