Dans un bâtiment, les déperditions thermiques proviennent de diverses parties opaques (mur, toit et plancher) qui peuvent contenir du béton. Il est donc intéressant d'envisager des formulations de béton de structure avec des propriétés d'isolation thermique améliorées. L'utilisation de granulats légers, qui possèdent de bonnes propriétés thermiques grâce à leur structure poreuse, peut être une solution pour améliorer la capacité d'isolation des éléments en béton. Cette technique d'isolation répartie peut permettre d'éviter des dispositifs constructifs lourds tout en répondant aux exigences de la RT 2012. La présente étude a pour objectif d'optimiser le couple performance mécanique - capacité isolante des bétons de granulats légers. Elle repose sur une double approche expérimentale et numérique.Les bétons de granulats légers ciblés ont une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3 et une résistance en compression supérieure à 25 MPa. L'influence de la nature des granulats légers, du taux de substitution du sable alluvionnaire par du sable léger, du rapport E/C et de l'ajout de fumée de silice sur les performances mécaniques et thermiques des bétons est étudiée afin de proposer des formulations adéquates pour une large gamme d'usage structurel. Le module d'Young, la résistance en compression, la conductivité thermique et la diffusivité sont mesurées sur 25 formulations de bétons de granulats légers. Le comportement thermique de ces différents bétons en fonction de facteurs climatiques, comme la température et le degré d'humidité est aussi examiné afin d'optimiser leurs propriétés d'isolation thermique. L'ensemble des résultats expérimentaux permet une meilleure compréhension de la relation entre la formulation des bétons de granulats légers et leur rapport performance mécanique / pouvoir isolant. En s'appuyant sur certaines mesures expérimentales, des modélisations numériques reposant sur des techniques d'homogénéisation permettent d'identifier des propriétés thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique) et mécaniques (module d'Young, résistance à la rupture) des granulats légers (gravillons et sables) difficilement mesurables expérimentalement. Connaissant les propriétés thermiques et mécaniques des différents constituants, des modélisations prédictives des comportements macroscopiques des bétons légers sont développées à partir de schémas d'homogénéisation pour des matériaux multi-phases polydisperses. Les outils développés sont comparés et validés par confrontation aux mesures expérimentales pour les différentes familles de bétons de granulats légers étudiés. Ils permettront par la suite d'alléger les coûts et délais des campagnes expérimentales de mise au point des formulations. La modélisation, sur une année, des transferts thermiques à travers une enveloppe de bâtiment en béton de granulats légers permet de quantifier l'amélioration des performances thermiques des bétons de granulats légers par rapport à un béton classique. / In a building, heat is lost through a variety of surfaces (wall, roof and floor) that may contain concrete. It is therefore useful to consider alternative concrete structures with improved thermal insulation properties. The use of lightweight aggregates, which have good thermal properties due to their porous structure, can present a solution for improving the insulation capacity of the concrete elements. This embedded insulation technique allows lighter construction systems while satisfying the requirements of the RT 2012. This study aims to optimize the mechanical performance/insulating capacity coupling of lightweight aggregate concrete. It is based on a double approach of experimental and numerical analysis.The targeted lightweight aggregate concretes have a density lower than 1500 kg/m3 and a compressive strength higher than 25 MPa. The influence of the lightweight aggregate nature, the rate of substitution of alluvial sand by lightweight sand, W/C ratio and the addition of silica fume on the mechanical and thermal performances of concrete is studied. This allows to identify formulations suitable for a wide range of structural applications. Young's modulus, compressive strength, thermal conductivity and diffusivity are measured on 25 formulations of lightweight aggregate concrete. The thermal behavior of these concretes, including sensible and latent heat transfer, is also examined in order to optimize their thermal insulation properties. The experimental results provide a better understanding of the relationship between the formulation of lightweight aggregate concrete and the mechanical performance to insulating capacity ratio. Based on some experimental measurements, numerical modeling is carried out in order to identify the thermal properties (thermal conductivity, specific heat) and mechanical properties (Young's modulus, fracture strength) of lightweight aggregates (gravel and sand) which are difficult to measure experimentally. Homogenization methods for two phase materials are used for this purpose. By knowing the thermal and mechanical properties of different components, the predictive modeling of the macroscopic behavior of lightweight concrete can be developed from homogenization schemes for multi-phase polydisperse materials. The analytical methods developed are validated by comparison with experimental measurements for the different families of lightweight aggregate concrete studied. They will eventually alleviate the costs and delays of the experimental analysis. The heat transfer over a year through the building envelope made of lightweight concrete is modeled in order to quantify the improvement in thermal performance of lightweight aggregate concrete compared to normal concrete.

Cette thèse est une contribution à la simulation numérique des transferts de quantité de mouvement et de chaleur dans les écoulements turbulents de fluides non-Newtoniens dans une conduite cylindrique fixe. La viscosité du fluide utilisé est décrite par la loi d'Ostwald de Waele. Deux modèles sous-mailles dans l'approche des simulations des grandes échelles ont été considérés : le modèle dynamique de Germano et al. (1991) et le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ils sont utilisés pour décrire les mécanismes physiques mis en jeu dans les écoulements isothermes de ces fluides à rhéologie complexe. Les transferts thermiques sont simulés avec le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ces derniers sont traités en deux parties. La première concerne les échanges de chaleur sans influence sur la distribution des vitesses. Il s'agit des écoulements non-thermo dépendants ou écoulements isothermes. La deuxième partie concerne la résolution des écoulements thermo dépendants qui mettent l'accent sur les modifications induites par le couplage vitesse-température. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace (suivant les directions périodiques) les champs instantanés de vitesse et de température pour établir les profils moyens de vitesse et de température, les rms, la tension de Reynolds, les flux de chaleur, les moments d'ordre plus élevé (coefficients de dissymétrie et d'aplatissement), les pdf (fonction de densité de probabilté), les jpdf (fonction de densité de probabilité jointe), le coefficient de frottement, le nombre de Nusselt... Ces différentes grandeurs sont analysées en fonction des divers paramètres qui gouvernent le problème: les nombres de Reynolds et de Prandtl, l’indice d'écoulement et le nombre de Pearson / This thesis is a numerical contribution of momentum and heat transfer of turbulent pipe flows of non-Newtonian fluids. The apparent viscosity of the fluid is modelled by a power-law (Ostwald de Waele model). Two models subgrid of LES were considered: the dynamic model of Germano et al. (1991) and model Smagorinsky non-Newtonian. They are used to describe the physical mechanisms involved in the isothermal flow of these complex rheology fluids. Heat transfer are simulated with the model of non-Newtonian Smagorinsky. These are processed in two parts. The first concerns the heat exchange without affecting the velocity distribution. This is non-thermo dependent flow or isothermal flow. The second part concerns the resolution of thermo dependent flows that focus on changes induced by the temperature-velocity coupling. The turbulent fields are analyzed statistically by averaging over time and space (according to the periodic directions) the instantaneous field of velocity and temperature to establish the average profiles of velocity and temperature, the root mean square of turbulent fluctuations (rms), Reynolds stress, the heat flow, the moments of higher order (skewness and flatness), the pdf (probability density function), the jpdf (attached probability density function), the coefficient of friction, the number of Nusselt ... These differents variables are analyzed for various parameters governing the problem: the Reynolds and Prandtl flow index and the number of Pearson

L'objet de ce travail de recherche est d'estimer le rôle des structures tourbillonnaires pour améliorer l'efficacité des refroidisseurs microfluidiques. Cette problématique a été étudiée en deux parties. L'objectif de la première partie est de quantifier les transferts thermiques engendrés par des tourbillons lors de leur interaction avec une paroi chaude. Ceci a été réalisé numériquement en deux étapes. La première étape a pour vocation d'améliorer la compréhension des processus de transferts thermiques d'un tourbillon transporté dans un écoulement laminaire. Deux processus majeurs ont été mis en avant : l'advection des particules froides vers la paroi chaude et le mélange par advection.Suite à ces observations, les transferts thermiques induis par une structure tourbillonnaire ont été optimisés en fonction de ses caractéristiques initiales. Cette optimisation a permis d'augmenter l'efficacité d'un système de refroidissement microfluidique de plus de 50% dans le cas d'une allée tourbillonnaire.La seconde partie couple une étude expérimentale à un modèle numérique. Cette étude se focalise sur le formation des structures tourbillonnaires à l'échelle micrométrique. Les structures tourbillonnaires sont générées par le couplage d'un micro jet synthétique à un écoulement transverse. Dans cette configuration, plusieurs topologies de structures tourbillonnaires ont été observées en fonction du nombre de Reynolds du jet et de l'écoulement. Ces différentes topologies ont été cartographiées en fonction des nombres de Reynolds du système. Finalement, pour une certaine topologie de tourbillon il a été possible de lier leurs caractéristiques aux paramètres de contrôle du système. Grâce à cette relation, il est possible de contrôler le type de structures formées par le système de refroidissement / The purpose of this research paper is to determine the role of vortical structures in the improvement of microfluidic cooling systems’ efficiency.This study is presented in two parts. The aim of the first part is to measure heat transfers produced by vortices while interacting with a hot wall. This part was carried out numerically following two steps. The aim of the first step was to improve the understanding of the processes involved during heat transfers in a vortex convected in a laminar flow. As a result, two major processes can be highlighted : the advection of cold particles to the hot wall and an advective mixing. Following these observations, heat transfers produced by a vortical structure were optimized in accordance with its initial characteristics. Consequently, the optimization of heat transfers increased microfluidic cooling systems’ efficiency by more than 50% in the case of vortex streets.The second part combines an experimental study with a numerical model. This study focuses on the creation of vortical structures on a microscopic scale. For this purpose, vortical structures are produced by combination of a synthetic micro jet with a crossflow. The outcome is that several topologies of vortical structures can be observed depending on the Reynolds number of the jet and the crossflow. These topologies can be mapped according to the Reynolds numbers of the system. As a result, a connection can be made between characteristics of some topologies of vortices and control parameters of the system. As a conclusion, the type of structures produced by the cooling system can be controlled

Le travail présenté dans cette thèse comporte différents attrayant sujetsde l'optique comme les métamatériaux, l’optique transformationnelle, lescristaux photoniques, la réfraction négative et les interactions thermoplasmoniques.Nous avons développé plusieurs métamatériaux pour les plasmons desurface basés sur l'optique de transformation. Tout d'abord, nous avonsdémontré théoriquement, numériquement et expérimentalement certainsdispositifs mettant en scène le phénomène d’invisibilité.Deuxièmement, nous avons démontré la réfraction négative des plasmonsde surface en utilisant le concept d'espace de pliage (space folding) pourdes lentilles plates et anisotropes et enfin avec seulement desmétamatériaux diélectriques. Additionnellement, nous avons démontréqu’un damier structuré de films d'or peut exhiber une transmission extraordinairesur toute la gamme de fréquences visible.Enfin, nous avons étudié un problème multiphysique en mixant l'optiqueet thermique et leurs effets induits. Nous avons pu montrer que joueravec l'amplitude d'une onde électromagnétique ou une impulsion, peutinduire un gradient de température et le contrôle parfait d’un tel dispositifthermo-plasmonique. / The work which has been presented in this thesis includes differentappealing subjects of optics such as metamaterials, transformationaloptics, photonic crystals, negative refraction and thermo-plasmonicinteractions. In this manuscript we have developed several metamaterialsfor Surface Plasmon Polaritons based on the transformational optics.Firstly we have demonstrated theoretically, numerically andexperimentally some SPP cloaking devices. Secondly, we havedemonstrated SPP negative refraction using the concept of space foldingthen with some dielectric metamaterial, flat and anisotropic SPP lenses.Additionaly we have demonstrated that subwavelength checkerboardstructured thick gold films have demonstrated an extra-ordinarytransmission over the visble range of frequencies.Finally, we have investigated a general multiphysics problem to mix opticsand thermally induced effects. We have been able to show that playingwith the amplitude of an electromagnetic wave or a pulse, we can inducea gradient of temperature and control heat of a plasmonic device.

La performance énergétique est un pilier pour réduire l'utilisation d'énergie non renouvelable, en plus de l'utilisation des énergies renouvelables. En fait, les bâtiments sont au cœur de la politique des performances énergétiques de l'UE puisque 40% de la consommation finale d'énergie et 36% des émissions de gaz à effet de serre provient des bureaux, magasins et autres bâtiments. Les bâtiments peuvent être considérés comme des systèmes dynamiques et le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être représenté en utilisant des modèles dynamiques. De cette façon, le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être décrit par des réseaux thermiques obtenus en utilisant la théorie des graphes et de la thermodynamique, et peuvent être déduits de l'équation de la chaleur classique. Les réseaux thermiques peuvent être exprimés comme un système d'équations différentielles et algébriques (DAE) qui peut être transformé en représentation d'état et obtenir un fonction de transfert à partir de laquelle un modèle autorégressif avec des variables exogènes (ARX) peut être obtenu. Ces différentes structures de modèle peuvent être utilisées pour identifier les paramètres physiques des réseaux thermiques, ce qui implique que la méthode peut être utilisée pour identifier la performance intrinsèque des bâtiments et aider à la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments.Cela peut faciliter l'évaluation de la performance énergétique des bâtiments dans un cadre reproductible qui permet la comparaison entre différentes solutions constructives.Les principales contributions originales de cette thèse sont: 1) les réseaux thermiques sont présentées à partir de la théorie des graphes et de la thermodynamique, sans considérer l'analogie thermique-électrique; 2) l'équation classique de la chaleur est reliée explicitement avec un système de DAE (réseau thermique) par les éléments finis; 3) différentes transformations pour déduire des modèles du transfert de la chaleur avec signification physique, à partir de l'équation de la chaleur classique, sont présentées toutes ensemble; 4) les transformations entre les modèles sont effectuées à partir des réseaux thermiques jusqu’aux modèles autorégressifs avec des variables exogènes (ARX) et vice-versa; et 5) un critère de sélection de l'ordre du modèle par une analyse de fréquence des mesures est proposé. / Energy efficiency is one of the two pillars to decrease the use of non-renewable energy besides the use of renewables energies. In fact, buildings are central to the EU's energy efficiency policy, as nearly 40% of the final energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions take place in houses, offices, shops and other buildings. Buildings may be considered as dynamic systems and heat transfer in buildings may be represented using dynamic models. In this way, heat transfer in buildings may be described by thermal networks which may be stated considering graph theory and thermodynamics, and may be deduced from the classical heat equation. Thermal networks may be expressed as a system of linear differential algebraic equations (DAE) and the system of linear DAE may be transformed into a state-space representation from which an autoregressive model with exogenous (ARX) can be obtained. These different model structures may be used for identifying the physical parameters of thermal networks which implies that this methodology may be useful for identifying the intrinsic performance of buildings and tackling the reduction of non-renewable energy consumption in buildings. This may facilitate the assessment of energy efficiency of buildings within a reproducible framework which allows the comparison between different constructive solutions.The main original contributions of this dissertation are: 1) thermal networks are stated from graph theory and thermodynamics, leaving back the thermal-electrical analogy; 2) classical heat equation is connected explicitly to a system of DAE (thermal network) by using the finite elements; 3) the transformations for deducing heat transfer models with physical meaning from the classical heat equation are put altogether; 4) transformations between models may are done from thermal networks to autoregressive models with exogenous (ARX) and back; and 5) a criterion for selecting the order of the model by frequency analysis of measurements is proposed.

Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire de type LHP (pour Loop Heat Pipe, en anglais), dont le fonctionnement s’apparente à celui d’un caloduc, permettent un transfert de chaleur particulièrement efficace et entièrement passif entre une source chaude et une source froide. Ce transfert s’effectue au moyen d’un fluide diphasique, mû grâce à la force motrice capillaire générée par un matériau poreux contenu dans l’évaporateur/réservoir de la LHP. Outre son rôle de barrière hydraulique entre les phases liquide et vapeur, ce matériau doit assurer une fonction de barrière thermique afin de favoriser l’évaporation du liquide. L’aptitude du matériau à remplir ses fonctions dépend étroitement de sa microstructure, elle-même liée à la méthode de fabrication. Dès lors, l’objectif de la thèse est d’associer la science des matériaux à celle de la thermique, pour améliorer les procédures de fabrication de structures capillaires existantes ou tester de nouvelles méthodes, et aboutir à des structures dont les caractéristiques sont en adéquation avec celles qui sont recherchées. / The capillary pumped loops (CPL) or loop heat pipes (LHP), whom the operating principle is similar to classic heat pipes, enable an efficient heat transfer between a hot source and a cold source without additional energy sources. Indeed, a porous structure provides a capillary force that enables a two-phase fluid to circulate around the loop, transferring the heat from the evaporator to the condenser. The porous structure acts as a hydraulic barrier between the two phases and as a thermal barrier enabling the liquid evaporation. The ability of the capillary structure to fulfil its mission depends on its microstructure, and thus on the manufacturing process. Therefore, the objective of the present thesis is to join the thermal sciences with the material sciences in order to improve the existing manufacturing procedure or even to test new ones. It aims at obtaining capillary structures corresponding to heat transfer applications.

L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l’écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie, couplées à une équation d’état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l’écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d’informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l’échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l’interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d’écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l’argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi / The main objective of this thesis is to model the multi-scale heat and fluid flows in micro-/nano channels. This method must be able of capturing at the same time the fluid/solid interaction at the small scale but also the flows induced by the inlet/outlet boundary conditions at the large scale. To this aim, we have adopted an approach coupling the continuum model in the bulks of the channel and the discrete model at the vicinity of the wall, based on an atomistic representation of the fluid and the solid.The Navier-Stokes and energy equations, coupled with an equation of state, are approximated by a finite volume method and the molecular dynamics simulations are used to finely represent the interaction between the fluid and the solid. This hybrid method requires information transmission between the former two regions: averaged quantity in molecular dynamics simulations are imposed as boundary conditions for the continuous model and constrained dynamics, coupled with a thermostat Langevin, is used to control in the molecular level. A set of small molecular dynamics blocks, smartly distributed all along the wall/fluid interface, allows to treat flow and heat transfers in a long micro/nano-channel with a reasonable computational cost.After a validation step, the hybrid multi-scale simulations of complex fluid flows in the channel composed of the platinum wall have been conducted for argon in incompressible liquid or compressible gaseous phase with and without phase change in the vicinity of the wall

Étant de plus en plus isolés, les bâtiments très performants sont très sensibles aux apports solaires transmis par les vitrages ainsi qu'aux apports internes. Dans ce contexte, l'inertie thermique peut être utile en stockant l'énergie excédentaire et en réduisant les variations de température, améliorant ainsi le confort thermique.Évaluer la performance énergétique, environnementale et le confort thermique des bâtiments nécessite des outils de simulation thermique dynamique (STD) fiables. Historiquement, les modélisateurs ont essayé de trouver un compromis approprié entre précision et efficacité. Des hypothèses simplificatrices ont alors été intégrées dans les outils STD et ont un lien étroit avec l'inertie thermique. La validité de telles hypothèses, notamment la globalisation des échanges convectifs et radiatifs GLO intérieurs, ou la distribution forfaitaire des apports solaires transmis par les vitrages nécessitent particulièrement d'être remises en questions dans le contexte des bâtiments très isolés.Ainsi, un modèle découplant les échanges convectifs et radiatifs GLO ainsi qu'un modèle de suivi de la tache solaire (modèles détaillés) ont été implémentés dans une plateforme de simulation mettant en œuvre l'analyse modale et une discrétisation par volumes finis.Une première comparaison entre les modèles détaillés et simplifiés a été réalisée sur des cas d'études du "BESTEST", intégrant aussi des résultats d'outils STD de référence au niveau international (EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS). Un travail similaire a été réalisé sur le cas d'une maison passive instrumentée (plateforme INCAS à Chambéry) en utilisant des techniques d'analyses d'incertitudes et de sensibilité.Les résultats montrent qu'une tendance à la baisse concernant les besoins de chauffage et de refroidissement existe en ce qui concerne les modèles détaillés considérés ici. D'autre part, il semble que ces modèles détaillés ne contribuent pas à diminuer significativement les écarts entre les simulations et les mesures. / Being highly insulated, low energy buildings are very sensitive to variable solar and internal gains. In this context, thermal mass is useful by storing surplus energy and reducing temperature variation, thus improving thermal comfort.Assessing energy, environmental and thermal comfort performances requires reliable building dynamic thermal simulation (DTS) tools. Historically, model developers have tried to find a fair-trade between accuracy and simulation efficiency within a fit-to-purpose philosophy. Simplifying assumptions have therefore been integrated into DTS tools and have a close relation with thermal mass. The validity of such assumptions, for instance constant interior convective and infrared radiative superficial exchange coefficients, or fixed distribution of solar gains transmitted through windows, particularly need to be reassessed in the case of high performance buildings.A first comparison between detailed and simplified models has been performed according to the "BESTEST", integrating also international DTS reference tools (EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS). Similar work, but using uncertainty and sensivitivity methods has been carried out using experimental measurements on a passive building (INCAS platform in Chambéry). The results show a trend for the detailed models studied here to estimate lower heating and cooling loads. Furthermore, it seems that these detailed models don't contribute to reduce significantly discrepancies between simulations and measurements.

Le Cycle Organique de Rankine (abrégé ORC de l’anglais Organic Rankine Cycle) est une technologie permettant la conversion de chaleur basse température en électricité. L’ORC transcritique a été identifié comme une solution prometteuse pour la valorisation de la chaleur fatale. Cependant, peu d’installations expérimentales ont permis de confirmer ces performances. Ce travail de thèse présente le fonctionnement et l’optimisation d’ORC sous-critique et transcritique pour la conversion de chaleur basse température en électricité à partir de différentes sources. Premièrement, les contextes thermodynamique et technologique de l’ORC sont présentés. Des critères de performance énergétiques et exergétiques sont définis et appliqués à une base de données d’installations expérimentales afin d’exposer l’état de l’art actuel des ORC. Deuxièmement, les outils numériques et expérimentaux, spécifiquement développés ou utilisé pour ces travaux, sont présentés. Trois installations expérimentales d’ORC transcritique complet ou incomplet fournissent les données expérimentales. Différents modèles numériques sont utilisés : sous l’environnement Matlab pour la modélisation en permanent, l’analyse des données expérimentales et l’analyse énergétique/exergétique ; L’environnement Modelica/Dymola pour l’analyse des transitoires et de la dynamique du système. Dans un troisième temps, ces différents outils sont utilisés pour étudier quatre différentes problématiques : - Le fonctionnement de la pompe de circulation est étudié, d’un point de vue énergétique et volumétrique. Des modèles semi-empiriques et des corrélations de performance sont présentés. - Les transferts thermiques en supercritique sont examinés, en local et en global. Les coefficients de transfert thermique sont comparés avec différentes corrélations de la littérature. - L’influence de la charge de réfrigérant sur les performances et le comportement de l’ORC est analysée. La charge optimale est estimée pour différentes conditions de fonctionnement et des mécanismes de régulation de la charge sont présentés. - Les performances énergétiques et exergétiques de l’ORC sont comparées avec la base de données. Une analyse exergétique du procédé a permis d’identifier des voies d’amélioration. / The Organic Rankine Cycle (ORC) is a technology used for low-grade thermal energy conversion into electricity. Transcritical ORC has been identified as a solution for efficient waste heat recovery. However, few experimental tests have been conducted to confirm the interest of transcritical ORC and investigate its operational behaviors. The work presented focuses on the operation and the optimization of subcritical and transcritical Organic Rankine Cycles for low-grade heat conversion into electricity from various heat sources (solar, industrial waste heat). First, the thermodynamic framework of ORC technology is presented. Energetic and exergetic performance criteria, appropriate to each type of input source, are introduced and selected. The criteria are later applied to a database of ORC prototypes, in order to objectively analyze the state-of-the-art. In a second step, the experimental and numerical tools, specifically developed or used in the present thesis, are presented. Three subcritical and transcritical ORC test benches (hosted by CEA and AUA) provided experimental data. Numerical models were developed under different environments: Matlab for steady-state modeling, data processing and energy/exergy analysis. The Modelica/Dymola environment for system dynamics and transient operations. Lastly, the different tools are exploited to investigate four different topics: - The ORC pump operation is investigated, both under an energetic and volumetric standpoint, while semi-empirical models and correlations are exposed. - Supercritical heat transfers are explored. Global and local heat transfer coefficients are estimated and analyzed under supercritical conditions, while literature correlations are introduced for comparison. - Working fluid charge influence over the ORC performance and behavior is investigated. Optimal fluid charge is estimated under various operating conditions and mechanisms for charge active regulation are exposed. - ORC system performances and behavior are discussed. Through both an energetic and exergetic standpoint, performances are compared with the state-of-the-art, while optimization opportunities are identified through an exergetic analysis.

The context of this PhD is the reduction of sizes involved in material development and the confinement of heat in modern devices, which are known to lead to the apparition of hot spots. The goal is to investigate heat conduction from micro- to nanoscale wide Joule-heated wires standing on flat layered materials. A particular focus is given to the analysis of phonon heat dissipation when departing from the well-known Fourier diffusive conduction and entering the ballistic regime. The manuscript starts with a summary of the main observed effects on the effective thermal conductivity in nanoscale materials, especially in light of the values of thermallyaveraged phonon mean free paths and the associated Knudsen number. Then the advantages and drawbacks of various measurement techniques are discussed. The analysis of the experimental configuration requires 2D analytical and 3D finite-element method based numerical studies of diffusive heat conduction from a finite source into a medium. Limitations of the 3! method due to wire length, substrate geometry and thin oxide layers are highlighted. The electro-thermal setup developed and the procedure used to deposit the devices on top of the samples are then detailed. A set of well-known materials with mean free path ranging from few nanometers to hundreds of nanometers is characterized with microwires. The thermal conduction properties of multilayer materials are investigated. Heat dissipation from finite sources on top of silicon substrates is then measured as a function of temperature. The mean free path is known to become large when temperature decreases. As a result, this configuration provides clues for understanding heat conduction from ballistic sources. The observed behavior is very different from the one predicted by Fourier’s law and shows a strong reduction of the dissipation. It is found that the results are comparable to earlier measurements involving ridges. They are analyzed with various levels of approximations of predictions using the Boltzmann transport equation. The results obtained may be useful in many fields, in particular for electronics and thermoelectric designs. / Le contexte de ce doctorat est la réduction des tailles impliquées dans le développement des matériaux et le confinement de la chaleur dans les dispositifs modernes, qui sont connus pour conduire à l'apparition de points chauds. L'objectif est d'étudier la conduction de la chaleur à partir de fils chauffés par Joule à l'échelle nanométrique et à l'échelle nanométrique, reposant sur des matériaux à couches planes. Une attention particulière est accordée à l'analyse de la dissipation thermique des phonons en partant de la conduction de Fourier bien connue et en entrant dans le régime balistique. Le manuscrit commence par un résumé des principaux effets observés sur la conductivité thermique effective dans les matériaux à l'échelle nanométrique, en particulier à la lumière des valeurs des voies libres moyennes des phonons et du nombre de Knudsen associé. Ensuite, les avantages et les inconvénients des différentes techniques de mesure sont discutés. L'analyse de la configuration expérimentale nécessite des études numériques 2D basées sur la méthode des éléments finis et des éléments finis de la conduction de chaleur par diffusion à partir d'une source finie dans un milieu. Limitations du 3! méthode en raison de la longueur du fil, de la géométrie du substrat et des couches minces d'oxyde sont mises en évidence. La configuration électro-thermique développée et la procédure utilisée pour déposer les dispositifs sur les échantillons sont ensuite détaillées. Un ensemble de matériaux bien connus avec un chemin libre moyen allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres est caractérisé par des microfils. Les propriétés de conduction thermique des matériaux multicouches sont étudiées. La dissipation thermique des sources finies sur les substrats de silicium est ensuite mesurée en fonction de la température. Le libre parcours moyen est connu pour devenir important lorsque la température diminue. En conséquence, cette configuration fournit des indices pour comprendre la conduction de la chaleur à partir de sources balistiques. Le comportement observé est très différent de celui prédit par la loi de Fourier et montre une forte réduction de la dissipation. On trouve que les résultats sont comparables à des mesures antérieures impliquant des crêtes. Ils sont analysés avec différents niveaux d'approximations de prédictions en utilisant l'équation de transport de Boltzmann. Les résultats obtenus peuvent être utiles dans de nombreux domaines, en particulier pour les conceptions électroniques et thermoélectriques.