De nombreux liquides subissent un changement de volume lorsqu'ils gèlent. Pour l'eau et certaines solutions aqueuses, l'expansion volumétrique au cours de la solidification peut entraîner une série de problèmes mécaniques. Dans l'industrie automobile, l'expansion de changement de phase (ECP) met en cause la sécurité des réservoirs des véhicules aux saisons froides. Une des questions les plus problématiques est l'expansion de la solution aqueuse d'urée (SAU) dans le réservoir du système SCR des véhicules diesels. Lorsque le liquide gèle, les composants intérieurs ainsi que le réservoir lui-même peuvent être endommagés dû à la pression apportée par la dilatation du liquide solidifié. Dans le centre , une méthode numérique est fortement attendue afin de prévoir la répartition de la température, des contraintes ainsi que de la déformation des composants lors d'un processus de solidification. Du fait que les informations sur la solution d'urée restent limitées, la structure de la glace cristalline ainsi que ses comportements mécaniques sont principalement passés en revue. La préférence d'orientation de croissance des grains de glace à l'interface de cristallisation met en évidence, l'hypothèse de l'ECP non-isotropique pour des problèmes de solidification. Une série de tests mécaniques a été réalisée afin d'obtenir les propriétés basiques de SAU à l'état solide à différentes températures. Une méthode « différence-volume » a été appliquée pour mesurer la variation de la densité de la SAU lors du processus de solidification. Pour la suite, des études analytiques thermiques et mécaniques sont effectuées. Pour l'aspect thermique, le problème classique de Stefan est passé en revue. Un schéma de différence-finie est proposé et il permet de calculer la position de l'interface et les profils de température pour un modèle sphérique. Pour l'aspect mécanique, un modèle sphérique similaire est établi à la base de l'ECP non-isotropique. Les solutions analytiques des contraintes et de la pression liquide sont présentées en fonction de la position de l'interface. Une méthode éléments-finis thermo-mécaniquement couplée est développée afin de simuler efficacement les contraintes thermiques, les déformations et la pression liquide dans un problème de solidification avec des relations constitutives de comportement non-linéaires. Les contraintes thermiques sont calculées en chaque point d'intégration en résolvant les équations elasto-viscoplastiques avec l'ECP non-isotropique. Le problème aux limites est résolu par la méthode de Newton-Raphson. Cette procédure est implémentée dans le package Abaqus via un UMAT. La méthode est validée d'abord pour les aspects algorithmiques par les solutions analytiques, puis pour les paramètres de comportement retenus par une série de tests expérimentaux. De plus, une étude de cas réaliste sur un réservoir de la SAU est introduite. Les avantages et les limitations de la méthode numérique lors d'une application sont évalués. / Many liquids involve a change in volume when they freeze. For water and some aqueous solutions, the volumetric expansion during solidification may invoke a series of mechanical issues. In automobile industries, the security of tanks installed in vehicles is challenged by the Phase-Change Expansion (PCE) of the freezing liquid in cold conditions. One of the most problematic issues is the expansion of Aqueous Urea Solution (AUS) in the SCR tank of diesel vehicles. As the liquid freezes, interior components may be deformed under the stress or pressure of the expanding AUS, potentially leading to failures of the storage tank. In the product center, a numerical method is of high demand to perform thermo-mechanical analysis to predict the temperature and stress distribution during a liquid solidification process in their tanks. In this work, a bibliographic study is carried out first on the basic knowledge of the ice and AUS. Due to the very limited information on urea solution in the literature, the structure and behaviors of freshwater ice are mainly reviewed. The grain orientation preference at the growth interface of polycrystalline ice provides the evidence of non-isotropic PCE for the solidification problem. A series of mechanical tests have been performed to characterize the basic properties of the solidified AUS at different temperatures. The density evolution is measured using a volume-difference method. Then, both thermal and mechanical analytical studies are performed. The classical thermal Stefan problem is reviewed and a finite-difference scheme is proposed to calculate the interface position and temperature profiles of a spherical solidification model. Mechanically, a similar spherical model is established based on the non-isotropic PCE phenomenon of ice growth. The solutions of stress distribution and liquid pressure evolution are given as a function of the solidification interface position. Finally, an efficient thermo-mechanical FEM is proposed to evaluate the thermal stress, strain, displacement and pressure in solidification problems with highly nonlinear relations. Three particular methods for treating the liquid phase with fixed-grid approaches are introduced. The thermal stress is computed at each integration point by integrating the elasto-viscoplastic constitutive equations with non-isotropic PCE. Then, the boundary value problem is solved using the full Newton-Raphson method. This procedure is implemented into the FE package Abaqus via a UMAT subroutine. The numerical model is validated first for the algorithmic aspect by the analytical solutions, and then for the parametric calibration by a series of benchmark tests. In the end, a realistic study case on a real-size AUS storage tank is introduced. Advantages and limitations of the numerical method in the application are evaluated.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

<p>An emerging technology in the field of transient thermal management is thermal energy storage, or TES, which enables temporary, on-demand heat rejection via storage as latent heat in a phase-change material.  Latent TES devices have enabled advances in many thermal management applications, including peak load shifting for reducing energy demand and cost of HVAC systems and providing supplemental heat rejection in transient thermal management systems.  However, the design of a transient thermal management system with integrated storage comprises many challenges which are yet to be solved.  For example, design approaches and performance metrics for determining the optimal dimensions of the TES device have only recently been studied.  Another area of active research is estimation of the internal temperature state of the device, which can be difficult to directly measure given the transient nature of the thermal storage process.  Furthermore, in contrast to the three main functions of a thermal-fluid system--heat addition, thermal transport, and heat rejection--thermal storage introduces the need for active, real-time control and automated decision making for managing the operation of the thermal storage device. </p> <p>In this thesis, I present the design process for integrating thermal energy storage into a single-phase thermal management system for rejecting transient heat loads, including design of the TES device, state estimation and control algorithm design, and validation in both simulation and experimental environments. Leveraging a reduced-order finite volume simulation model of a plate-fin TES device, I develop a design approach which involves a transient simulation-based design optimization to determine the required geometric dimensions of the device to meet transient performance objectives while maximizing power density.  The optimized TES device is integrated into a single-phase thermal-fluid testbed for experimental testing.  Using the finite volume model and feedback from thermocouples embedded in the device, I design and experimentally validate a state estimator based on the state-dependent Riccati equation approach for determining the internal temperature distribution to a high degree of accuracy.  Real-time knowledge of the internal temperature state is critical for making control decisions; to manage the operation of the TES device in the context of a transient thermal management system, I design and test, both in simulation and experimentally, a logic-based control strategy that uses fluid temperature measurements and estimates of the TES state to make real-time control decisions to meet critical thermal management objectives. Together, these advances demonstrate the potential of thermal energy storage technology as a component of thermal management systems and the feasibility of logic-based control strategies for real-time control of thermal management objectives.</p>

Résumé : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux données importantes pour le contrôle de procédés industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de l’électrolyse de l’aluminium, ce processus de solidification assure la protection du système et influe sur la performance énergétique du procédé de fabrication. Malheureusement, ces données se révèlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thèse porte sur le développement de nouveaux outils permettant l’étude et la caractérisation de la solidification de matériaux à changement de phase et à haute température. L’objectif est de développer un système de mesure du front de solidification de matériaux à changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une précision et une réponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratégies de contrôle dans les cuves d’électrolyse. Ce travail couple une étude expérimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modélisation numérique de phénomène de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves d’électrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.

Thesis (PhD) -- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Currently the reduction of the levelised cost of electricity (LCOE) is the main goal of concentrating solar power (CSP) research. Central to a cost reduction strategy proposed by the American Department of Energy is the use of advanced power cycles like supercritical steam Rankine cycles to increase the efficiency of the CSP plant. A supercritical steam cycle requires source temperatures in excess of 620°C, which is above the maximum storage temperature of the current two-tank molten nitrate salt storage, which stores thermal energy at 565°C. Metallic phase change materials (PCM) can store thermal energy at higher temperatures, and do not have the drawbacks of salt based PCMs. A thermal energy storage (TES) concept is developed that uses both metallic PCMs and liquid metal heat transfer fluids (HTF). The concept was proposed in two iterations, one where steam is generated directly from the PCM – direct steam generation (DSG), and another where a separate liquid metal/water heat exchanger is used – indirect steam generation, (ISG). Eutectic aluminium-silicon alloy (AlSi12) was selected as the ideal metallic PCM for research, and eutectic sodium-potassium alloy (NaK) as the most suitable heat transfer fluid. Thermal energy storage in PCMs results in moving boundary heat transfer problems, which has design implications. The heat transfer analysis of the heat transfer surfaces is significantly simplified if quasi-steady state heat transfer analysis can be assumed, and this is true if the Stefan condition is met. To validate the simplifying assumptions and to prove the concept, a prototype heat storage unit was built. During testing, it was shown that the simplifying assumptions are valid, and that the prototype worked, validating the concept. Unfortunately unexpected corrosion issues limited the experimental work, but highlighted an important aspect of metallic PCM TES. Liquid aluminium based alloys are highly corrosive to most materials and this is a topic for future investigation. To demonstrate the practicality of the concept and to come to terms with the control strategy of both proposed concepts, a storage unit was designed for a 100 MW power plant with 15 hours of thermal storage. Only AlSi12 was used in the design, limiting the power cycle to a subcritical power block. This demonstrated some practicalities about the concept and shed some light on control issues regarding the DSG concept. A techno-economic evaluation of metallic PCM storage concluded that metallic PCMs can be used in conjunction with liquid metal heat transfer fluids to achieve high temperature storage and it should be economically viable if the corrosion issues of aluminium alloys can be resolved. The use of advanced power cycles, metallic PCM storage and liquid metal heat transfer is only merited if significant reduction in LCOE in the whole plant is achieved and only forms part of the solution. Cascading of multiple PCMs across a range of temperatures is required to minimize entropy generation. Two-tank molten salt storage can also be used in conjunction with cascaded metallic PCM storage to minimize cost, but this also needs further investigation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tans is die minimering van die gemiddelde leeftydkoste van elektrisiteit (GLVE) die hoofdoel van gekonsentreerde son-energie navorsing. In die kosteverminderingsplan wat voorgestel is deur die Amerikaanse Departement van Energie, word die gebruik van gevorderde kragsiklusse aanbeveel. 'n Superkritiese stoom-siklus vereis bron temperature hoër as 620 °C, wat bo die 565 °C maksimum stoor temperatuur van die huidige twee-tenk gesmelte nitraatsout termiese energiestoor (TES) is. Metaal fase veranderingsmateriale (FVMe) kan termiese energie stoor by hoër temperature, en het nie die nadele van soutgebaseerde FVMe nie. ʼn TES konsep word ontwikkel wat gebruik maak van metaal FVM en vloeibare metaal warmteoordrag vloeistof. Die konsep is voorgestel in twee iterasies; een waar stoom direk gegenereer word uit die FVM (direkte stoomopwekking (DSO)), en 'n ander waar 'n afsonderlike vloeibare metaal/water warmteruiler gebruik word (indirekte stoomopwekking (ISO)). Eutektiese aluminium-silikon allooi (AlSi12) is gekies as die mees geskikte metaal FVM vir navorsingsdoeleindes, en eutektiese natrium – kalium allooi (NaK) as die mees geskikte warmteoordrag vloeistof. Termiese energie stoor in FVMe lei tot bewegende grens warmteoordrag berekeninge, wat ontwerps-implikasies het. Die warmteoordrag ontleding van die warmteruilers word aansienlik vereenvoudig indien kwasi-bestendige toestand warmteoordrag ontledings gebruik kan word en dit is geldig indien daar aan die Stefan toestand voldoen word. Om vereenvoudigende aannames te bevestig en om die konsep te bewys is 'n prototipe warmte stoor eenheid gebou. Gedurende toetse is daar bewys dat die vereenvoudigende aannames geldig is, dat die prototipe werk en dien as ʼn bevestiging van die konsep. Ongelukkig het onverwagte korrosie die eksperimentele werk kortgeknip, maar dit het klem op 'n belangrike aspek van metaal FVM TES geplaas. Vloeibare aluminium allooie is hoogs korrosief en dit is 'n onderwerp vir toekomstige navorsing. Om die praktiese uitvoerbaarheid van die konsep te demonstreer en om die beheerstrategie van beide voorgestelde konsepte te bevestig is 'n stoor-eenheid ontwerp vir 'n 100 MW kragstasie met 15 uur van 'n TES. Slegs AlSi12 is gebruik in die ontwerp, wat die kragsiklus beperk het tot 'n subkritiese stoomsiklus. Dit het praktiese aspekte van die konsep onderteken, en beheerkwessies rakende die DSO konsep in die kollig geplaas. In 'n tegno-ekonomiese analise van metaal FVM TES word die gevolgtrekking gemaak dat metaal FVMe gebruik kan word in samewerking met 'n vloeibare metaal warmteoordrag vloeistof om hoë temperatuur stoor moontlik te maak en dat dit ekonomies lewensvatbaar is indien die korrosie kwessies van aluminium allooi opgelos kan word. Die gebruik van gevorderde kragsiklusse, metaal FVM stoor en vloeibare metaal warmteoordrag word net geregverdig indien beduidende vermindering in GLVE van die hele kragsentrale bereik is, en dit vorm slegs 'n deel van die oplossing. ʼn Kaskade van verskeie FVMe oor 'n reeks van temperature word vereis om entropie generasie te minimeer. Twee-tenk gesmelte soutstoor kan ook gebruik word in samewerking met kaskade metaal FVM stoor om koste te verminder, maar dit moet ook verder ondersoek word.

Ces travaux de thèse visent à concevoir et étudier une unité d'échangeur de chaleur air-MCP en tant que solution passive a la problématique du contrôle de confort thermique dans les bâtiments pendant l'été, fournissant des directives de conception et une intégration facile aux bâtiments. Les MCP présentent une grande capacité de stockage par unité de volume, ce qui leur permet de contribuer à la réduction de la consommation d'énergie liée aux applications de rafraîchissement. Bien qu'ils présentent certains inconvénients, en tant que faible conductivité thermique, notamment dans les PCM commerciaux, une conception bien détaillée est nécessaire pour atteindre des performances thermiques adéquates.La première partie de cette thèse examine les systèmes existants à travers une étude bibliographique, mettant en évidence la relation géométrique avec la physique et la performance thermique. Cette recherche a fourni les bases pour le développement d'une conception d'une unité air-MCP, suivant une méthodologie de résolution de problèmes développée par le laboratoire I2M. Une matrice de mots-clés a été obtenue à partir des phénomènes physiques et de l'analyse fonctionnelle de l'unité. A partir de cette matrice, l'analyse des brevets a inspiré la conception qui a abouti à un échangeur de chaleur air-PCM à faisceau tubulaire avec des tubes verticaux alignés perpendiculairement au flux d'air.Le développement d'outils de conception et d'intégration dans les bâtiments a été recherché au moyen d'une modélisation permettant de prédire avec précision les performances thermiques du système. Les modèles simplifiés sont préférés pour cette tâche. Néanmoins, ils peuvent sous-estimer les performances réelles si les phénomènes physiques impliqués ne sont pas correctement comptabilisés. Alors,des approches expérimentales locales et globales ont été utilisées pour parvenir à une compréhension de la physique associée aux cycles de charge et de décharge dans l'unité air-MCP. Pour cela, un banc d'essai a été installé, mesurant la température et le débit d'air dans différentes conditions d'entrée, accompagné d'un suivi visuel à travers des images numériques. Les traitements d'images et des données ont été utilisés pour obtenir des indicateurs de performance thermique et des corrélations équivalentes en utilisant des nombres adimensionnels connus pour les mécanismes de transfert de chaleur convectifs-conducteurs dans le PCM.Ces découvertes ont permis de développer des modèles de résistance thermique et d'enthalpie qui rendent compte de la complexité des phénomènes impliqués dans l'unité pour la prédiction de la performance. Enfin, la performance thermique du système a été testée dans deux applications de bâtiments : en tant qu'unité mobile dans une maison PEH à Gradignan dans un bureau du labo I2M. / The present work aims to design and study an air-PCM heat exchanger unit as a passive solution for thermal comfort assessment in buildings during summertime, providing tools to ease the design and building integration. The PCM present a large storage capacity per volume unit where by, they can contribute to the reduction of the energy consumption related to cooling applications. Although, theyshow some drawbacks, as a low thermal conductivity in commercial PCM, so a wellthought design of these kind of systems is necessary to achieve adequate thermal performances.The first part of this thesis surveys the existing systems through a literature review,highlighting the geometry relation with the physics and thermal performance. This search provided the bases for the development of an air-PCM unit design, following a problem-solving methodology developed by the I2M laboratory. A keyword matrix was obtained from the physical phenomena and functional analysis of the unit. From this matrix, the patents analysis provided inspiration for the design resulting in a tubebundle air-PCM heat exchanger with vertical tubes aligned perpendicular to the airflow.The development of design and integration in buildings tools was sought through a modeling that can accurately predict the thermal performance of the system.Simplified models are preferred for this task. Nevertheless, they can under predict the actual performance if the physical phenomena involved is not properly accounted. Then, local and global experimental approaches were used to achieve anunderstanding of the physics associated with charging and discharging cycles in theunit. For this, a test bench was installed, measuring temperature and airflow underdifferent in let conditions, accompanied by a visual tracking through digital images.Image and data processing were used to obtain thermal performance indicators and equivalent correlations using known dimensionless numbers for convective conductive heat transfer mechanisms in the PCM.These findings allowed the development of thermal models based on energy balances, that accounted the complexity of phenomena involved in the unit for performance prediction. Finally, the thermal performance of the system was tested intwo buildings applications: as a mobile unit in a PEH house in Gradignan and as anactive façade in a building in Talence. / El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y estudiar una unidad intercambiador de calor aire-PCM como presentan una solución pasiva al conforttérmico en edificios durante el verano, proporcionando herramientas para facilitar el diseño y la integración en edificios. Los PCM una gran capacidad de almacenamiento por unidad de volumen, por lo que pueden contribuir a la reducción del consumo de energía relacionado con las aplicaciones de refrigeración. Estos materiales presentan algunos inconvenientes en cual su uso, como una baja conductividad térmica, típica en PCM comerciales, por lo es necesario un diseño que tome en cuenta esta problemática para lograr rendimientos térmicos adecuados. La primera parte de esta tesis examina los sistemas existentes a través de unarevisión de la literatura, destacando la relación de geometría con los fenómenos físicos y el rendimiento térmico. Esta búsqueda proporcionó las bases para el desarrollo de un diseño de unidad aire-PCM, siguiendo una metodología de resolución de problemas desarrollada por el laboratorio I2M. Se obtuvo una matrizde palabras clave a partir de los fenómenos físicos y el análisis funcional de launidad. A partir de esta matriz, el análisis de patentes proporcionó inspiración para el diseño que dio como resultado un intercambiador de calor PCM de aire y haz detubos verticales alineados perpendicularmente al flujo de aire.El desarrollo del diseño y la integración en herramientas de edificios se buscó através de un modelo que pudiese predecir con precisión el rendimiento térmico delsistema. Los modelos simplificados son los preferidos para esta tarea. Sin embargo,su poder de predicción puede verse afectada si los fenómenos físicos involucradosno se contabilizan adecuadamente. Es por ello que se utilizaron enfoques experimentales locales y globales para lograr una comprensión de la física asociadacon los ciclos de carga y descarga en la unidad. Se realizó una instalación de unbanco de pruebas, que permitió mediciones de temperatura y flujo de aire en diferentes condiciones de entrada, acompañado de un seguimiento visual a travésde imágenes digitales. El procesamiento de imágenes y datos se utilizó para obtener indicadores de rendimiento térmico y correlaciones a partir de números adimensionales relacionados con mecanismos de transferencia de calor porconvección y conducción en el PCM.Estos hallazgos permitieron el desarrollo de modelos térmicos para la predicción delrendimiento, basados en balances de energía de cada volumen de control.Finalmente, el rendimiento térmico del sistema se probó en dos aplicaciones deedificios: como una unidad móvil en una casa PEH en Gradignan y dentro de una oficina del laboratorio I2M.

Die monolithische Integration von Phasenwechselmaterialien mit Halbleiter-Hetero\-strukturen er\"offnet neue Perspektiven f\"ur zuk\"unftige Generationen von nichtfl\"uchtigen Speicherbauelementen. %Epitaktische Phasenwechselmaterialien erm�glichen detaillierte %Studien der strukturellen �nderungen w�hrend des Phasen�bergangs und %erlauben eine Bestimmung der Skalierungslimits zuk�nftiger %Datenspeicher. Diese Arbeit befasst sich mit dem epitaktischen Wachstum von Ge-Sb-Te Phasenwechselmaterialien. Dazu wurden Ge-Sb-Te(GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf GaSb(001)-Substraten abgeschieden. Die kristallografische Orientierung und die Ver\"anderungen der Gitterkonstante w\"ahrend des Wachstums wurden mittels R\"ontgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) bestimmt. Das Nukleationsverhalten zu Beginn des Wachstums wurde mittels Hochenergie-Elektronenbeugung unter streifendem Einfall (RHEED) untersucht. / The integration of phase change materials into semiconductor heterostructures may lead to the development of a new generation of high density non-volatile phase change memories. Epitaxial phase change materials allow to study the detailed structural changes during the phase transition and to determine the scaling limits of the memory. This work is dedicated to the epitaxial growth of Ge-Sb-Te phase change alloys on GaSb(001). We deposit Ge-Sb-Te (GST) films on GaSb(001) substrates by means of molecular beam epitaxy (MBE). The film orientation and lattice constant evolution is determined in real time during growth using grazing incidence X-ray diffraction (GID). The nucleation stage of the growth is studied \emph{in situ} using reflection high energy electron diffraction (RHEED).

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_erasmo_digital.pdf: 2003361 bytes, checksum: 220a10261604ff1d47174ccfbcec41a9 (MD5) Previous issue date: 2009-04-03 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / The element helium, found mainly in natural gas reserves, condenses at temperature of 4.2K, and is the unique known substance that remains in liquid to absolute zero. In the liquid phase, the helium presents still another phase change in 2.19K, where passes of common liquid to superfluous liquid, with almost zero viscosity. These properties give the helium important applications. One of the major applications is as a coolant in superconductors, such as in the particle accelerator LHC, which is being built in the French border with Switzerland, in magnetic resonance devices, artificial satellites, etc.. In this paper, we present two mathematical models for heat transfer in liquid helium. The first model, considering only macroscopic movements, is derived based on constitutive laws of Fourier and Gorter-Mellink. The second model, based on techniques of Fremond, includes microscopic movements and can be seen as a regularization of the first model. Both models are governed by highly nonlinear differential equations resulting from the nonlinearity of the law of Gorter-Mellink and change of phase. Both models can be considered special cases of the Stefan problem in two phases, with phase one of the heat flux is governed by non-linear equation of the problem known as p-Laplacian, with p = 4/3. We also presented techniques to efficiently solve the problem of p-Laplacian, both for large values of p, p>> 2, and for values of p close to 1, which are major numerical challenges. Are proposed two simple iterative methods, one based on the method of quasi-Newton, with the relaxation term and the other by the Helmholtz decomposition, creating a system of equations whose matrices are constant, which reduces significantly the computational cost. Numerical experiments are conducted to test the efficiency of numerical models proposed and the algorithms developed for solving systems of nonlinear algebraic equations arising from approximations by finite elements. Are also presented results of studies of convergence, showing rates of optimal or near optimal convergence, comparable to that of interpolates. For the problem with phase change, due to the discontinuity of the gradient of temperature on the interface separating the two phases of liquid helium, the rate of convergence is not optimal. Using adaptive mesh, it is also great rates to the problem with change of phase. Using experimental data found in literature, for the parameters of thermal conductivity, density and specific heat, temperature dependent, are also presented for validation testing of the model and examples of possible applications. In tests for validating the model, compared to the numerical solution of the mathematical model with experimental results for the temperature found in literature. / O elemento hélio, encontrado principalmente em reservas de gás natural, entra em condensação à temperatura de 4,2K, e é a única substância conhecida que permanece no estado líquido até o zero absoluto. Na fase liquida, o hélio apresenta ainda, em K, outra mudança de fase, onde passa de líquido comum à superfluido, com viscosidade praticamente nula. Estas propriedades conferem ao hélio importantes aplicações. Uma hdas principais aplicações é como agente refrigerante em supercondutores, como por exemplo, no acelerador de partículas LHC, que está sendo construído na fronteira da França com a Suíça, em aparelhos de ressonância magnética, satélites artificiais, etc. Neste trabalho, são apresentados dois modelos matemáticos para a transferência de calor no hélio líquido. O primeiro modelo, considerando apenas movimentos macroscópicos, é derivado com base nas leis constitutivas de Fourier e de Gorter-Mellink. O segundo modelo, baseado nas técnicas de Fremond, inclui movimentos microscópicos e pode ser visto como uma regularização do primeiro modelo. Os dois modelos são governados por equações diferenciais fortemente não lineares resultantes da não linearidade da lei de Gorter-Mellink e da mudança de fase. Ambos os modelos podem ser considerados casos particulares do problema de Stefan de duas fases, sendo que em uma das fases o fluxo de calor é governado pela equação não-linear do problema conhecido como p-laplaciano, com p=4/3. São também apresentadas técnicas para resolver de forma eficiente o problema do p-laplaciano, tanto para valores grandes de p, p>>2, quanto para valores de p próximos à 1, que constituem importantes desafios numéricos. Para tanto são propostos dois métodos iterativos simples, um baseado no método de quase-Newton, com termo de relaxação e, outro através da decomposição de Helmholtz, gerando um sistema de equações cujas matrizes são constantes, o que diminui significativamente o custo computacional. Experimentos numéricos são realizados para testar a eficiência dos modelos numéricos propostos bem como dos algoritmos desenvolvidos para resolver os sistemas de equações algébricas não lineares resultantes das aproximações por elementos finitos. São apresentados resultados de estudos de convergência, mostrando taxas de convergência ótimas ou quase ótimas, comparáveis às das interpolantes. Para o problema com mudança de fase, devido à descontinuidade do gradiente da temperatura sobre a interface que separa as duas fases do hélio líquido, as taxas de convergência não são ótimas. Usando malhas adaptativas, consegue-se taxas ótimas também para o problema com mudança de fase. Usando dados experimentais, encontrados na literatura, para os parâmetros de condutividade térmica, densidade e calor específico, dependentes da temperatura, são também apresentados testes de validação do modelo e exemplos de possíveis aplicações. Nos testes de validação do modelo, compara-se a solução numérica do modelo matemático com resultados experimentais para a temperatura, encontrados na literatura.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-12-21T13:22:18Z No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-21T13:22:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) Previous issue date: 2018-10-31 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Armazenamento térmico apresenta grande potencial de utilização em diversas aplicações, como energia solar, climatização, conservação de alimentos ou aproveitamento de calor residual em processos industriais. O armazenamento térmico de calor latente é realizado com materiais de mudança de fase (PCM), através dos processos de fusão e solidificação. A representação destes processos através de simulação numérica é realizada com o acréscimo ao modelo matemático básico, composto pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia, modelos para descrever o calor latente e a transição na velocidade entre as fases, tais como: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) e SOM (switch-off method). No entanto, a grande maioria das pesquisas nesta área utiliza o primeiro método. Além disso, são poucos os estudos comparativos de diferentes métodos para descrever processos de mudança de fase. Assim, o objetivo do presente estudo é comparar os métodos Darcy STM, VVM e misto (utilizando elementos dos dois anteriores) na simulação numérica de processos de fusão e de solidificação do PCM RT27 no interior de uma esfera. O estudo foi realizado utilizando-se fluidodinâmica computacional, através do método dos volumes finitos. O Modelo numérico foi validado com resultados experimentais da literatura. Os resultados quantitativos e qualitativos de fração líquida mostram que o método Darcy STM é mais adequado ao processo de solidificação, enquanto o método VVM produz resultados mais próximos aos experimentais no processo de fusão. O custo computacional foi menor para o método Darcy STM e maior para o método VVM, enquanto o método misto apresenta custo computacional pouco inferior ao do método VVM. Na análise da camada líquida na fusão de contato, foram analisadas a velocidade descendente do sólido, a espessura da camada e a vazão na camada. Os resultados referentes a camada líquida indicaram significativa influência das configurações do método Darcy STM. No entanto, são pouco influenciados pelas configurações do método VVM. / Thermal energy storage presents great potential of utilization in several applications, such as solar energy, HVAC systems, food conservation or waste heat recovery in industrial processes. Latent heat thermal energy storage is realized with phase change materials (PCM), through solidification and melting processes. Representation of such processes through numerical simulation is performed with the addition to the basic numerical model, composed of the conservation equations of mass, momentum and energy, models to account the latent heat and the velocity transition between the phases, such as: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) and SOM (switch-off method). However, the large majority of the research on such area employ the first method. Besides that, there are few comparative studies of different methods to describe phase change processes. Thus, the objective of the present work is compare Darcy STM, VVM and mixed method (using elements of the two prior) in the simulation of melting and solidification processes of PCM RT27 inside a sphere. The study was realized using computational fluid dynamics, with the finite volume method. The numerical model was validated with experimental results from literature. Quantitative and qualitative results of liquid fraction show that Darcy STM is most suitable to solidification process, while VVM produces results closer to experimental in the melting process. Computational cost was smaller for Darcy STM and greater for VVM, while mixed method presents computational cost slightly lower than the one of VVM. In the analysis of the liquid layer in close contact melting, were analyzed descending velocity of the solid, liquid layer thickness and the flow in the liquid layer. The results regarding the liquid layer denote significant influence of the configurations for Darcy STM. However, such results are little influenced by the configurations of VVM.

Cette thèse s'intéresse à la simulation numérique de l'explosion vapeur. Ce phénomène correspond à une vaporisation instantanée d'un volume d'eau liquide entraînant un choc de pression. Nous nous y intéressons dans le cadre de la sûreté nucléaire. En effet, lors d'un accident entraînant la fusion du cœur du réacteur, du métal fondu pourrait interagir avec de l'eau liquide et entraîner un tel choc. On voudrait alors connaître l'ampleur de ce phénomène et les risques d'endommagements de la centrale qu'il implique. Pour y parvenir, nous utilisons pour modèle les équations d'Euler dans un cadre Lagrangien. Cette description a l'avantage de suivre les fluides au cours du temps et donc de parfaitement conserver les interfaces entre l'eau liquide et sa vapeur. Pour résoudre numériquement les équations obtenues, nous développons un nouveau schéma de type Godunov utilisant des flux nodaux. Le solveur nodal développé durant cette thèse ne dépend que de la répartition angulaire des variables physiques autour du nœud. De plus, nous nous intéressons aux changements de phase liquide-vapeur. Nous proposons une méthode pour les prendre en compte et mettons en avant les avantages qu'il y a à l'implémentation de ce phénomène dans un algorithme Lagrangien. / This thesis studies numerical simulation of steam explosion. This phenomenon correspond to a fast vaporization of a liquid leading to a pressure shock. It is of interest in the nuclear safety field. During a core-meltdown crisis, molten fuel rods interacting with water could lead to steam explosion. Consequently we want to evaluate the risks created by this phenomenon.In order to do it, we use Euler equations written in a Lagrangian form. This description has the advantage of following the fluid motion and consequently preserves interfaces between the liquid and its vapor. To solve these equations, we develop a new Godunov type scheme using nodal fluxes. The nodal solver developed here only depends on the angular repartition of the physical variables around the node.Moreover, we study liquid-vapor phase changes. We describe a method to take it into account and highlight the advantages of using this method into a Lagrangian framework.