Umströmte Rohr- bzw. Stabbündel sind als Übertrager von Wärmeenergie in einem breiten Spektrum von Anwendungsgebieten zu finden. Beispiele sind Heizkörper, Kühlaggregate, Heizpatronen, industrielle Wärmetauscher und Brennelemente in Kernreaktoren. Für jede dieser Anwendungen besteht die Anforderung, die Wärmeübertragung an den Wärmeübertragerflächen zu optimieren. Dabei besteht eine enge Kopplung zwischen Wärmetransport und Strömungsstruktur. Eine besonders effiziente Form der Wärmeübertragung ist die Verdampfung. Diese wird unter anderem bei Brennelementen in Druckwasserreaktoren genutzt. Hier siedet das Kühlwasser an der Brennstaboberfläche. Durch Kondensation der Dampfblasen in der unterkühlten Kernströmung wird die Wärme dann effizient in die Flüssigphase übertragen. Durch die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers wird beim Strömungssieden ein viel höherer Wärmestrom in das Kühlwasser übertragen, als bei rein einphasig-konvektivem Wärmetransport. Sicherheitstechnisch relevant für Brennelemente in Leichtwasserreaktoren ist der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden (kritischer Wärmestrom). Dieser muss unter allen Umständen vermieden werden, um die Integrität der Brennstabhüllen zu gewährleisten, die bei Überschreiten der kritischen Heizflächenbelastung aufschmelzen bzw. reißen können. Aus diesem Grund werden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes (Förderkennzeichen 02NUK010A) numerische Strömungsberechnungsmodelle entwickelt, die bei der Beschreibung und numerischen Behandlung der Siedephänomene helfen sollen. Zur Validierung dieser Modelle anhand von Experimenten wurde ein Strömungskanal konstruiert, in dem ein vertikales Stabbündel von einem Kältemittel (RC318) aufwärtig durchströmt wird. Der Versuchsstand ist so konzipiert, dass ein optischer und messtechnischer Zugang zu den umströmten Einbauten gegeben ist. Damit sind Messungen in Zweiphasenströmungen ebenso möglich, wie Untersuchungen zur einphasigen Durchströmung. Für später erfolgende Zweiphasen-Experimente mit Stabbeheizung wurden zunächst Voruntersuchungen zur einphasigen Durchströmungen durchgeführt, welche insbesondere Aufschluss über die Homogenität der Strömung in den Unterkanälen sowie die Existenz von Querströmungen geben sollten. Als Messverfahren dafür wurde die Particle Image Velocimetry (PIV) ausgewählt, welche es ermöglicht, zweidimensionale Strömungsfelder aufzuzeichnen. Die experimentellen Studien erfolgten am Optical Multi-Phase Flow Research Laboratory des Nuclear Engineering Department der Texas A&M University in College Station, USA. Die Untersuchungen wurden für drei Volumenstromraten durchgeführt. Der vorliegende Bericht umfasst die Beschreibung des Versuchsstandes und der Messmethodik, eine Vorstellung des Auswerteverfahrens und relevanter Ergebnisse sowie eine Fehlerbetrachtung.

A program based on particle tracking velocimetry (PTV) was developed in this work. The program was successfully validated by means of artificial images where parameters such as radius, concentration, and noise were varied in order to test their influence on the results. This program uses the mask cross correlation technique for particle centroid location. The sub-pixel accuracy is achieved using two different methods, the three point Gaussian interpolation method and the center of gravity method. The second method is only used if the first method fails. The object matching algorithm between frames uses cross correlation with a non binarized image. A performance comparison between different particle image velocimetry (PIV) and PTV algorithms was done using the international standard PIV challenge artificial images. The best performance was obtained by the program developed in this work. It showed the best accuracy, and the best spatial resolution by finding the larger number of correct vectors of all algorithm tested. A procedure is proposed to obtain error estimates for real images based on errors calculated with experimental ones. Using this procedure a real PIV image with 20% noise has an estimated average error of 0.1 pixel. Results of the analysis of 200 experimental images are shown for the two best PTV algorithms.

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L’écoulement de Taylor-Couette entre deux cylindres concentriques (cylindre interne en rotation et cylindre externe fixe) est actuellement mis à profit au CEA pour étudier les performances d’extraction d’une colonne liquide/liquide pour le retraitement du combustible nucléaire. Ces performances étant fortement liées au mélange, il est important de le quantifier. En monophasique, les propriétés de mélange ont été étudiées dans une thèse précédente, à la fois expérimentalement et numériquement, et ont été reliées aux paramètres hydrodynamiques de l’écoulement. L’effet du nombre de Reynolds, du régime d’écoulement et de la taille des rouleaux (longueur d’onde axiale) ont notamment été prouvés. Le but de ce travail est d’étendre les précédentes études aux écoulements de Taylor-Couette diphasiques. Pour des raisons pratiques et afin de s’affranchir des phénomènes de coalescence et de rupture, des billes de PMMA de diamètres 800 µm à 3 mm sont choisies pour simuler la phase dispersée, en suspension dans une solution aqueuse de Dimethylsulfoxyde (DMSO) et de Thiocyanate de Potassium (KSCN). Le montage expérimental couple les méthodes de PIV et de PLIF afin d’obtenir en simultané les informations concernant l’hydrodynamique de l’écoulement et le mélange. Cependant la mise en place du diphasique impose un certain nombre de contraintes qui doivent être prises en compte. Bien que les deux phases soient soigneusement choisies afin d’être adaptées en indice et en densité, le recours à une deuxième chaine d’acquisition PLIF est nécessaire afin d’améliorer la qualité des mesures. Ainsi, une première voie de PLIF classique suit l’évolution au cours du temps de la concentration de Rhodamine WT, injectée au centre de la colonne au début de l’expérience. La voie supplémentaire visualise un autre fluorophore, de la Fluorescéine répartie de manière homogène dans la colonne, permettant ainsi de créer un masque dynamique des billes. Grâce à ce montage expérimental, une étude paramétrique (taille, rétention des billes) a été menée. Un double effet des billes sur le mélange a ainsi été observé. D’une part, la présence d’une phase dispersée modifie les propriétés hydrodynamiques de l’écoulement : les régimes (Couette, Taylor Vortex Flow et Wavy Vortex Flow) sont d’autant plus déstabilisés que la rétention ou la taille des billes augmente. De plus un régime supplémentaire, inhabituel dans le cas du cylindre externe fixe, apparait, forcé par la phase dispersée : le régime Spiral Vortex Flow, dans lequel le mélange est très efficace. D’autre part, une influence propre des billes sur le mélange a été mise en évidence, en fonction de leur taille et de leur concentration. Ces deux effets se combinent pour expliquer une forte augmentation du mélange en présence de la phase dispersée. Les mécanismes physiques liés à ces résultats sont ensuite discutés, et leur influence relative est comparée. Enfin, le rôle du mélange local sur le coefficient de dispersion global, paramètre classiquement utilisé en génie chimique afin de prédire les performances des colonnes d’extraction, est discuté. / In the scope of the nuclear fuel reprocessing, Taylor-Couette flows between two concentric cylinders (the inner one in rotation and the outer one at rest) are used at laboratory scale to study the performances of new liquid/liquid extraction processes. Separation performances are strongly related to the mixing efficiency, the quantification of the latter is therefore of prime importance. A previous Ph.D. work has related the mixing properties to the hydrodynamics parameters in single-phase flow, using both experimental and numerical investigations. The Reynolds number, flow state and vortices height (axial wavelength) impacts were thus highlighted. This Ph.D. work extends the previous study to two-phase configurations. For experimental simplification, and to avoid droplets coalescence or breakage, spherical solid particles of PMMA from 800 µm to 1500 µm diameter are used to model rigid droplets. These beads are suspended in an aqueous solution of dimethyl sulfoxide (DMSO) and potassium Thiocyanate (KSCN). The experimental setup uses coupled Particle Image Velocimetry (PIV) and Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) to access simultaneously the hydrodynamic and the mixing properties. Although the two phases are carefully chosen to match in density and refractive index, these precautions are not sufficient to ensure a good measurement quality, and a second PLIF channel is added to increase the precision of the mixing quantification. The classical PLIF channel monitors the evolution of Rhodamine WT concentration, while the additional PLIF channel is used to map a Fluorescein dye, which is homogeneously concentrated inside the gap. This way, a dynamic mask of the bead positions can be created and used to correct the Rhodamine WT raw images. Thanks to this experimental setup, a parametric study of the particles size and concentration is achieved. A double effect of the dispersed phase is evidenced. On one hand, the particles affect the flow hydrodynamic properties : the more the particles size and concentration grows, the more the studied flow regimes (Couette, Taylor Vortex Flow and Wavy Vortex Flow) are destabilized. In addition, a new flow state appears in presence of a dispersed phase, that is unusual in the configuration we use where the outer cylinder is at rest. This Spiral Vortex Flow is characterized by an enhanced mixing. On the other hand, for given hydrodynamic properties and depending on the particles size and concentration, a specific effect of the particles on mixing is highlighted. Both the “hydrodynamic” and “intrinsic“ effects are responsible for the significant increase of the global mixing observed in two-phase configuration. Possible physical mechanisms are proposed to analyze these results, and their relative influence is compared. At last, an attempt is made to relate the local mixing properties to a global dispersion coefficient of the flow, data commonly used in chemical engineering to predict the performances of extraction columns.

Le secteur tertiaire représente une source potentielle d'économie incontournable pour parvenir à réduire la dépendance énergétique de la France. Le taux de renouvellement du parc immobilier Français étant relativement faible, un effort doit être porté sur l'existant. Dans ces travaux, nous étudions un procédé innovant de rénovation par l'intérieur, dont l'élément principal est une paroi ventilée multifonctionnelle, assurant l'isolation, l'émission de chaleur basse température ainsi que la finition des surfaces murales. Les premiers travaux sur cette paroi ventilée furent menés sur un prototype dimensionné _a l'aide d'un modèle numérique simplifié. Deux séries d'expériences menées dans une cellule climatique nous ont permis de quantifier les flux de chaleur à travers le système. Le bon fonctionnement de la paroi ventilée repose sur les mécanismes de convection naturelle dans un canal vertical. Les résultats issus du prototype ont montré la présence de phénomènes complexes intervenant au sein de l'écoulement. Nous avons donc choisi d'étudier plus en détails les phénomènes thermoconvectifs dans un système du type source chaude/cheminée avant de poursuivre l'étude sur le système global. Une étude théorique et une expérience ont été menées sur un cas académique du problème. A l'issue des résultats expérimentaux, nous avons observé plusieurs régimes d'écoulements, dépendants du rapport de forme du canal et du nombre de Richardson en sortie. Enfin, nous proposons un modèle analytique de la paroi ventilée comprenant l'ensemble des variables géométriques influentes. Ce modèle a été implémenté dans l'environnement de simulation Trnsys, dans la perspective d'effectuer des simulations annuelles à l'échelle du bâtiment. / In France, energy consumption due to buildings heating is an important part of the global primary energy consumption. The tertiary sector represents an unavoidable source of economy in order to reduce energy dependency of France. The turnover of French real estate being relatively low, an effort must be focused on the existing. In this work, we investigate on an innovative process of internal thermal renovation, whose main element is a multifunctional ventilated wall, providing insulation, low temperature heat emission and the wall surfaces finishing. The first works on this ventilated wall were conducted on a prototype designed using a simplified numerical model. Two series of experiments conducted in a climatic cell allowed us to quantify the heat flow through the system. The smooth functioning of the ventilated wall is based on the natural convection in a vertical channel and the results from the prototype showed the presence of complex phenomena within the flow. We therefore chose to study in detail the thermoconvective phenomena in a chimney-like system before continuing the study of the overall component. A theoretical study and PIV experiment were conducted on an academic case of the problem. At the end of the experimental results, we observed several flow regimes, depending on the channel aspect ratio and the outlet Richardson number. Finally, we propose an analytical model of the ventilated wall including all influential geometrical variables. This model has been implemented in the simulation environment Trnsys with the perspective to make annual simulations on a building scale.

Em virtude da sua facilidade de operação e elevada eficiência, sedimentadores são bastante utilizados pelas indústrias na separação de componentes com diferentes densidades. Porém o desempenho do tanque sedimentador depende do campo de fluxo dentro do equipamento que, por sua vez, é influenciado pelas características dos sólidos em suspensão, da geometria e dimensões do tanque separador. As características hidrodinâmicas em um sedimentador circular vertical foram investigadas no presente trabalho, tanto por abordagens experimentais como numéricas. As experiências foram realizadas por velocimetria de imagem de partículas em um protótipo de sedimentador, construído em acrílico cristal transparente. As simulações foram realizadas, utilizando o pacote ANSYS CFX na versão 16.0, considerando escoamento 3D, turbulento, isotérmico e em regime permanente. O modelo em fluidodinâmica computacional foi criado em forma progressiva. Inicialmente, foram testados modelos para o sistema monofásico (água) e verificados através da comparação aos dados experimentais. Seis modelos de turbulência do tipo RANS foram analisados: epsilon, Renormalization Group (RNG) k-epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) e os de tensão de Reynolds (BSL RSM e SSG RSM). Para o estudo bifásico, empregou-se o modelo multifásico Euler-Euler, juntamente com o modelo de partícula e o de Gidaspow. Nesta situação, diversas configurações de condições de contorno e modificações no projeto do tanque original foram analisadas por meio de campo vetorial, linhas de fluxo, planos de concentração volumétrica e de energia cinética turbulenta. Os resultados mostraram que o modelo de turbulência BSL RSM foi o mais adequado para descrever o escoamento no sedimentador contínuo, sendo capaz de prever as recirculações e as variações de velocidade ao longo do equipamento. As zonas de recirculações (posição e intensidade) mostraram-se influenciadas pelas condições de contorno e forma geométrica do tanque de separação. Foi verificado que o aumento do diâmetro do tanque sedimentador (em 40,0%) provocou um favorecimento na separação água e sólido, elevando a eficiência em 17,3%, enquanto o aumento da altura (em 40,0%) do tanque reduziu a eficiência de separação em 27,5% em comparação ao projeto original. / Due to their operation facility and high efficiency, settlers are widely used by industries for separating components of different densities. The performance of sedimentation, however, depends on the flow field is inside the equipment, which in turn is influenced by the characteristics of the solids in suspension and by the geometry and size of the separation tank. The hydrodynamic characteristics of a vertical circular settler were investigated in the present work by means of both experimental and numeric approaches. The experimental analyses were carried out by particle image velocimetry in a settler prototype built in transparent crystal acrylic. The simulations were carried out using the software ANSYS CFX version 16.0, considering a 3-D, turbulent, isothermal and steady-state flow. The computational fluid dynamics model was used in the progressive approach. The models were initially tested for the one-phase process (water) and checked against the experimental data. Six RANS turbulence models were analyzed: k-epsilon, Renormalization Group (RNG) k- epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) and Reynolds Stress models (BSL RSM and SSG RSM). For the two-phase flow, the Euler-Euler multiphase model was used together with the particle model and the Gidaspow model. In this context, several configurations of boundary conditions and modifications in the original tank design were analyzed using vector field, flow lines, volumetric concentration and turbulent kinetic energy. The results showed that the BSL RSM turbulence model was more appropriate to explain the flow in the continuous settler, being able to predict the recirculations and velocity variations along the equipment. The recirculation zones (position and magnitude) were influenced by the boundary conditions and by the geometric shape of the separation tank. It was found that an increase in the diameter of the settler tank (in 40.0%) favored the water and solid separation, increasing its efficiency by 17.3%, while an increase in the height of the tank (in 40.0%) reduced the efficiency of separation by 27.5% when compared to the original design.

Um regime ou fluxo turbulento pode ser definido simplificadamente como uma forma de escoamento no qual o movimento de um fluido ocorre de forma aparentemente aleatória. A natureza caótica desse tipo de regime não possibilita que o problema seja abordado de modo determinístico, consequentemente, não pode ser descrito através de expressões analíticas para descrever seu campo de velocidades. Apesar de ser impossível estudar o movimento de cada partícula, pode-se visualizar o problema de forma macroscópica. Utilizando-se de simplificações e generalizações pode-se fazer uso de estudos numéricos em uma tentativa de encontrar uma face determinística do fenômeno, como por exemplo, verificação da isotropia e homogeneidade. A turbulência com estas características é um regime em que as componentes da velocidade no espaço e as velocidades em diferentes pontos do escoamento apresentam parâmetros estatísticos semelhantes. Tais condições não existem na prática, mas pode-se construir equipamentos que produzem escoamentos que se aproximam desta condição. Este trabalho consistiu na verificação das condições de turbulência isotrópica e homogênea em um tanque de grade oscilante. Foi utilizado o método de trilhagem de partículas por fotografia estereoscópica, PIV (particle imaging velocimeter), para observar e quantificar a turbulência gerada. Observou-se a turbulência gerada por 8 velocidades diferentes de oscilação da grade. Os resultados mostraram que o tanque em estudo aproximou-se de condições homogêneas, porém sua isotropia não pôde ser afirmada. O tanque com grade oscilante foi eficiente na geração de turbulência, reproduzindo o fenômeno real e colaborando para o seu estudo. Também foi realizado uma análise sobre a eficácia do método de velocimetria com o uso de PIV, que mostrou ser adequado para a observação de campos de velocidades de um escoamento, com limitações quanto à região periférica da área alvo. / Turbulence or turbulent flow can be defined in a simplified way as a flow with random moviment. The chaotic behavior of this regime does not allow a deterministic approach, therefore, it can not be described by analytical formulas for the velocity field. Although it is impossible to study the movement of each particle, the problem can be studied in a macroscopic way. Simplifications and generalizations can be used in numerical studies in an attempt to find a deterministic view of the phenomenon, for example, checking the isotropy and homogeneity. The turbulence with these characteristics is a regime in which the components of velocity in space and velocity at different points of the flow have similar statistical parameters. Such conditions do not exist in practice, but equipment can be built in order to produces flow approaching the condition. This work consisted of verify the conditions of homogeneous isotropic turbulence in a tank with oscillating grid. It was used the method of particule tracking by stereoscopic photography, PIV (particle imaging velocimetry), to observe and quantifying the generated turbulence. It was observed turbulence generated by 8 different speeds of oscillation of the grid. The results showed that the tank approached homogeneous conditions, but its isotropy can not be affirmed. The tank with an oscillating grid was efficient in the generation of turbulence, reproducing a real phenomenon and contribute to its study. Analysis was also conducted on the effectiveness of velocimetry method using PIV, shown to be suitable for observation of a flow velocity field with limitations on the peripheral region of the target area.

Dans le contexte actuel de raréfaction de l'eau, une meilleure efficacité de l'utilisation de l'eau est essentielle pour maintenir une croissance économique durable. En France, en période ordinaire, 48% d'eau est utilisé pour l'irrigation. Ce pourcentage augmente jusqu'à 79% en période d'été. Cela souligne la nécessité d'utiliser des méthodes d'irrigation performantes. La micro-irrigation offre la meilleure efficience, cependant, son utilisation n'est pas très répandue. Dans le monde, ce système ne couvre que 3% des terres irriguées et 5% en France, du fait de la sensibilité de ce système au colmatage, ce qui augmente le coût de son installation et de sa maintenance. Ce colmatage est fortement lié aux faibles sections de passage du distributeur de micro-irrigation. En effet, un labyrinthe constitué de chicanes est généralement inséré dans les distributeurs. Les chicanes existantes, qui jouent un rôle important pour générer des pertes de pression et assurent la régulation du débit sur le réseau d'irrigation, produisent des zones de recirculation où la vitesse est faible voire nulle. Ces zones de recirculation favorisent le dépôt de particules ou autre développement biochimique provoquant le colmatage du goutteur. La caractérisation de la topologie de l'écoulement dans le labyrinthe du goutteur doit être décrite pour analyser la sensibilité du goutteur au colmatage qui réduit considérablement ses performances.Des expériences utilisant la micro-PIV et un ensemencement avec des particules de 1 µm sont menées sur dix motifs répétitifs pour analyser les régions qui peuvent être sensibles au colmatage. Un goutteur fonctionne avec un débit faible, et la section transversale du labyrinthe est d'environ 1mm2. Le nombre de Reynolds varie de 400 à 800. Ainsi, cette étude expérimentale permet d'analyser le régime d'écoulement et son influence. Un algorithme de traitement est développé pour obtenir la moyenne et les fluctuations des vitesses. Une attention particulière est apportée à la validation de la technique micro-PIV et aux courbes débit-pression qui quantifient la performance globale du goutteur. Plusieurs modèles de turbulence, implémentés dans ANSYS/Fluent, sont utilisés pour modéliser l'écoulement au sein du labyrinthe. Les résultats des expériences de micro-PIV et des modélisations sont comparés afin de valider le modèle numérique. Puis, des méthodes avancées d’analyses tourbillonnaires ont été utilisées pour détecter précisément la vorticité et les zones de recirculations. L'objectif global de ce manuscrit est d'identifier le meilleur modèle qui permettra ensuite de prédire et analyser les zones sensibles au colmatage afin de les réduire grâce à l'optimisation de géométrie. / In the present context of increasing water scarcity, a better water use efficiency is essential to maintain a sustainable economical growth. Moreover, water use efficiency covers also important environmental and social issues. Micro-irrigation system has the best water efficiency, nevertheless, its use is not much widespread. In the world, this system covers only 3 % of land irrigated against 4% in France, as this system is sensitive to clogging, which increases the installation cost.The baffle-fitted labyrinth-channel is largely used in micro-irrigation systems. The existing baffles, which play an important role for generating pressure losses and ensure the flow regulation on the irrigation network, produce vorticities where the velocity is low or zero. These vorticities favor the deposition of particles or other biochemical development causing emitter clogging. Flow topology characterization in the labyrinth-channel of emitter must be described to analyze emitter clogging sensibility which drastically reduces its performance.Micro-PIV experiments, using 1µm particles, are conducted on ten-pattern repeating baffles to characterize the labyrinth-channel flow and to analyze regions which can be sensitive to clogging. An emitter works with a weak flow rate, and the labyrinth-channel cross-section is about 1 mm2 Reynolds number varies from 400 to 800. So, this experimental investigation allows analyzing the flow regime and its influence. A treatment algorithm is developed to get the mean and fluctuating velocities. Advanced swirl analysis method is adapted to precisely detect the vorticity. Particular attention is focused on the technique acquisition and on pressure losses curves accuracy in the labyrinth-channel flow since this curve represents the emitter global performance.Several turbulent models, implemented in ANSYS/Fluent, are used to perform modelling of the labyrinth-channel geometry. The micro-PIV and modeling results comparisons are presented in order to validate numerical model. The global objective of this manuscript is to identify the best model which allows to predict and analyze the sensitive areas in order to reduce them thanks to geometry optimization.

Les ondes internes de gravité jouent un rôle important dans les échanges énergétiques océaniques, en particulier par leur mécanisme d'atténuation. Il est alors crucial de déterminer et de quantifier les différents processus permettant un transfert d'énergie vers les petites échelles et aboutissant ainsi au mélange océanique. Nous avons, pour cela, étudié précisément l'un de ces mécanismes: l'Instabilité Paramétrique Sous-harmonique (PSI). Cette instabilité permet la génération de deux ondes internes, de fréquence et de vecteurs d'ondes différents, à partir d'une onde primaire, par interaction non-linéaire résonante. L'étude expérimentale de cette instabilité a ainsi permis de mettre en évidence l'importance de certains paramètres (fréquence, amplitude, largeur de faisceau) quant au développement et à la sélection des ondes secondaires. Ces paramètres influent donc sur le transfert énergétique entre les échelles. En outre notre dispositif expérimental a permis de tester les limites de la théorie développée jusqu'à présent et a conduit à l'élaboration d'un nouveau modèle validé expérimentalement et numériquement.Par ailleurs, nous avons adapté la technique de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à des fluides continûment stratifiés afin d'effectuer des mesures simultanées de vitesse (PIV) et de densité (LIF). Cette technique permet ainsi d'étudier expérimentalement l'effet de la propagation et de la déstabilisation des ondes internes de gravité sur une stratification linéaire, et d'accéder à des grandeurs associées au mélange. / Internal waves are believed to be of primary importance as they affect energy transfer, especially their dissipation mechanism. Therefore it is crucial to identify and measure the different processes evolving a transfer to smaller scales and leading to oceanic mixing. We have chosen to focus on one of these mechanisms: the Parametric Subharmonic Instability (PSI). This instability allows the generation from a primary wave of two secondary internal waves, with different frequencies and waves vectors, by nonlinear resonant interaction. The experimental study of this instability has helped to highlight the importance of some parameters (frequency, amplitude, beam width) for the development and the selection of secondary waves. Thus these parameters affect the energy transfer between scales. Moreover, our experimental device was used to test the limits of the theory developed so far and has led to the development of a new model, which has been validated experimentally and numerically.In addition, we adapted the technique of Laser Induced Fluorescence (LIF) to continuously stratified fluids, with the aim of performing simultaneous measurements of velocity (PIV) and density (LIF). This technique allows us to study experimentally the effect of propagation and destabilization of internal gravity waves on a linear stratification, and to access to quantities related to the mixing.

Afin de répondre à des problématiques bâtimentaires et des enjeux de sécurité incendie, cette thèse aborde l’écoulement de convection mixte à travers un orifice horizontal reliant deux compartiments. L’objectif est d’améliorer la connaissance et la modélisation de l’échange de gaz de masse volumique variable à travers l’orifice. Une étude expérimentale à échelle réduite couplée à une approche théorique est proposée. L'étude est d'abord focalisée sur l’influence du rapport géométrique L/D de l’orifice sur la variation de débit échangé pour un régime de convection naturelle. Les mesures non intrusives de ces débits, par suivit de l'interface entre deux liquides non miscibles lors d'une première approche densimétrique, ainsi que par Stéréo PIV en sortie d'orifice dans une approche thermique, permettent de décrire le processus d'échange bidirectionnel et de conforter les corrélations existantes.Des expériences en régime de convection mixte visent ensuite à caractériser l’influence d’une ventilation mécanique (en soufflage et en extraction) sur les débits échangés. La confrontation des corrélations existantes avec les points expérimentaux montre des écarts importants. Une modification de la corrélation de Cooper 89 est proposée et permet d'en accroître la précision. En parallèle, une approche théorique issue des équations de Navier Stokes simplifiées et sous l’approximation de Boussinesq permet de discuter la construction des corrélations existantes. L'ajustement de coefficients de pertes de charge à partir des points expérimentaux permet de proposer un modèle plus performant que ceux disponibles dans la littérature. / To answer to building issues and fire safety challenges, this thesis deals with the mixed convection flow through a horizontal orifice linking two compartments. The aim is to improve the understanding and modeling of the exchange of variable density gas through the opening. A small scale experimental study and a theoretical approach are proposed.The study is first focussed on the impact of the geometrical ratio L/D of the opening on the exchanged flow rate variation for free convection regime. Non-intrusive measurements of these flow rates, via the tracking of the interface between two non miscible liquids in an isothermal approach, and thanks to the SPIV in a thermal approach, permit to describe the bidirectional exchange process and to consolidate existing correlations.Experiments in mixed convection regime aim to study the impact of mechanical ventilation (in blowing and extracting mode) on the exchanged flow rates. The comparison between existing correlations and experimental data shows large differences. A change making the coorelation of Cooper 89 more accurate is proposed. A theoretical approach from the simplified Navier Stokes equations and with the Boussinesq approximation permits to discuss the construction of existing correlations. From this theory, a model more accurate than those available in the literature is proposed thanks to an adjustment of discharge coefficients from experimental data.