L’objectif de ce travail est de développer un modèle multi-physique et multi-échelle de Régénérateur Magnétique Actif en vue d’optimiser le fonctionnement d’un système de réfrigération magnétique. Le modèle numérique développé lors de cette thèse est un modèle multi-physique et multi-échelle qui prend en compte trois phénomènes distincts (le magnétisme, la fluidique et le transfert de chaleur), chacun à une échelle différente (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle). Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux magnétocaloriques et d’intégrer les résultats de ces mesures dans le modèle numérique. Le modèle a été validé par une comparaison avec des données expérimentales et les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Enfin, le modèle a été exploité par une analyse de sensibilité des paramètres en vue d’étudier le fonctionnement ainsi que les performances du système. Ce modèle permettra d’identifier une stratégie de conception optimale d’un Régénérateur Magnétique Actif afin de concevoir des systèmes de réfrigération magnétique performants. / The objective of this work is the developing of a multi-physics and multi-scale numerical model of an Active Magnetic Regenerator in order to optimize the operation of a magnetic refrigeration system. The numerical model developed in this thesis is a multi-physics and multi-scale model that takes into account simultaneously three distinct phenomena (magnetism, fluid flow and heat transfer), each on a different scale (micro-scale, mini-scale scale and macro-scale). An experimental study was conducted to determine the thermophysical properties of magnetocaloric materials and integrate the results of these measurements in the numerical model. The model has been validated by comparison with experimental data and the results showed a good correlation between the model results and measurements. Finally, the model was exploited by an analysis of parameter sensitivity allowing studying the operation and performance of the system. This model will identify an optimal design strategy of an Active Magnetic Regenerator in order to design high-performance magnetic refrigeration systems.

La réfrigération magnétique est une alternative pertinente dans un contexte où les gaz réfrigérants sont soumis à des restrictions environnementales. Ces restrictions nécessitent l'évolution de la technologie actuelle ou bien l'émergence d'une nouvelle, d'où l'opportunité pour la réfrigération magnétique de prouver son potentiel. En effet, elle pourrait s'avérer énergiquement plus efficace et avec des densités de puissance supérieure. Ces travaux de thèse apportent des réponses sur le potentiel de la réfrigération magnétique. Dans cette logique, la thermodynamique et le magnétisme, outils indispensables à notre étude, sont développés dans le cas des matériaux à effet magnétocalorique. Puis, nous verrons que les caractérisations de ces derniers sont en mesure de fournir des modèles matériaux cohérents et réalistes, si des précautions sont prises. L'effet magnétocalorique étant limité en termes de variation de température, nous allons étudier différentes structures de réfrigération. Enfin, des modèles numériques sont développés pour permettre d'optimiser les structures à régénérations actives, qui sont les plus utilisées. Ces modèles doivent permettre de dimensionner des systèmes proches de leurs optimums. / Magnetic refrigeration is a relevant alternative in consideration of environmental restrictions of refrigerants gases. These restrictions require to improve the current technology or to pave the way for a new one, hence the opportunity for magnetic refrigeration to demonstrate its potential. Indeed, it could be energetically efficient and with higher power densities. This work aims to estimate the potential of magnetic refrigeration. Magnetism and thermodynamic, essential tools for our study, are developed in a case of magnetocaloric effect. With some care, we show that material characterizations are able to give consistence and relevant model. Magnetocaloric effect suffers of small temperature variations; therefore structures that increase the temperature span and give competitive system are studied. Finally numerical models are developed to optimize active magnetic regenerators, which are currently the most used. These models are used to calculate and design systems close to their optimum.

La réfrigération magnétique est une technologie innovante de production de froid, qui peut remplacer la technique classique de compression-détente de fluides frigorigènes. Son principe est basé sur l'effet magnétocalorique qui se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre d'un projet « CARNOT Energies du futur » et s'oriente vers l'étude magnétothermique et fluidique de systèmes de réfrigération. Pour cela, un outil numérique a été développé à l'aide du logiciel FLUENT afin de décrire le comportement thermique de différents régénérateurs, cœur même des systèmes de RM. En parallèle, deux systèmes de réfrigération magnétique ont été développés et améliorés, chacun d'eux présentant des performances intéressantes. Ces résultats ont permis de comprendre et définir les facteurs les plus influents sur leurs performances, et en déduire ainsi leurs conditions de fonctionnement optimales / The magnetic refrigeration is an innovative technology of production of cold, which can replace the refrigerants classic compression-relaxation technique. Its principle is based on the magnetocaloric effect which leads to the cooling or the heating of certain materials under the effect of a magnetic field. This thesis work took place within the framework of a project named " CARNOT Energies of future", and turns to the magnetothermal and fluidic study of refrigeration systems. For that purpose, a digital tool was developed using the FLUENT software to describe the thermal behavior of various regenerators, heart of the MR systems. In parallel, two magnetic refrigeration systems were developed and improved, each of them bringing interesting performances. These results allowed to understand and to define the most influential factors on their performances, so as to deduct their optimal operating conditions.

La réfrigération magnétique est une technologie émergente grâce à des avantages considérables par rapport aux technologies de réfrigération classiques. Cette technologie basée sur l’effet magnétocalorique offre d’importants avantages environnementaux car d’une part l’efficacité théorique des cycles utilisés est supérieure à celle des technologies classiques et d’autre part son fonctionnement ne nécessite pas une utilisation de gaz/vapeur `a fort effet de serre. En revanche des verrous scientifiques restent à lever, Le modèle multi-physique proposé dans cette thèse à pour but d’améliorer la précision de calcul. Il consiste à coupler un modèle 3D magnétostatique résolu par la méthode des éléments finis, un modèle magnétocalorique analytique et un modèle thermo-fluidique résolu par méthode des différences finies. Parallèlement, un banc d’essais a été conçu, optimisé et réalisé, ce banc permettra de faire des mesures fines des différents phénomènes qui interagissent dans la réfrigération magnétique. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work of this thesis deals with studying and designing a magnetic refrigeration prototype. A multiphysic model is developed, this model taking into account several magnetic and magnetocaloric aspect that never dealt in the literature. It is used to investigate the influence of a range of parameters on the performance of the AMR. A new test bench of magnetic refrigeration is also designed, it is based on a particular electromagnet that was optimally realized. The magnetic performances are showed and concord with design prevision. Finally, suggestions for future works are provided based on the knowledge presented here.

La réfrigération magnétique est une technologie de rupture pour produire du froid qui n'utilise pas de gaz à effet de serre et est plus efficace que la réfrigération à compression de gaz. Elle est basée sur l'effet magnétocalorique, une propriété de certains matériaux à changer de température lorsqu'ils sont soumis à une variation de champ magnétique. Ces travaux de thèse ont porté sur l'étude des systèmes de réfrigération magnétique. Nous avons effectué une analyse critique des prototypes existants et proposé de nouveaux critères de performances pour les comparer de manière effective. Nous avons développé un modèle numérique des transferts thermiques au sein des réfrigérateurs magnétiques, pour étudier leur comportement en régime transitoire et permanent. Une analyse fine de la source de champ et de son interaction avec le matériau a permis de proposer des règles de conception et de dimensionnement d'un système performant.

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

La réfrigération magnétique est une technologie de rupture pour produire du froid qui n’utilise pas de gaz à effet de serre et est plus efficace que la réfrigération à compression de gaz. Elle est basée sur l’effet magnétocalorique, une propriété de certains matériaux à changer de température lorsqu’ils sont soumis à une variation de champ magnétique. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude des systèmes de réfrigération magnétique. Nous avons effectué une analyse critique des prototypes existants et proposé de nouveaux critères de performances pour les comparer de manière effective. Nous avons développé un modèle numérique des transferts thermiques au sein des réfrigérateurs magnétiques, pour étudier leur comportement en régime transitoire et permanent. Une analyse fine de la source de champ et de son interaction avec le matériau a permis de proposer des règles de conception et de dimensionnement d’un système performant. / Magnetic refrigeration is a good alternative to gas compression refrigeration systems because it does not involve the use of greenhouse gases and it is more efficient. This technology is based on the magnetocaloric effect, which manifests itself as a temperature change of a magnetocaloric material upon changing the magnetic field. This thesis is dedicated to the study of magnetic refrigerators. We reviewed the former prototypes and defined a set of performance criteria to make an accurate comparison. A numerical model of heat transfer in magnetic refrigerators was developed, and the transient and steady state response were studied. A thorough analysis of magnetic field sources was performed and we proposed guidelines to design a new magnetic refrigerator.

La société moderne compte beaucoup sur les moyens de refroidissement et de climatisation. Les demandes augmentent jour après jour et les phénomènes comme le réchauffement climatique ou la canicule amplifient cette tendance. Les technologies de réfrigération utilisées actuellement sont trop nuisibles à l'environnement à cause des CFC et HCFC présents dans les systèmes de refroidissement classiques. Pour résoudre ce problème environnemental et économiser de l'énergie, la réfrigération magnétique semble être la meilleure alternative pour remplacer la réfrigération classique.Cette technologie est basée sur l'effet magnétocalorique, processus réversible d'échauffement et de refroidissement de certains matériaux magnétiques sous l'application ou la suppression d'un champ magnétique extérieur. Autour de la température ambiante, la réfrigération magnétique laisse entrevoir de nombreuses applications: réfrigération domestique ou industrielle, climatisation de bâtiment ou de véhicule, refroidissement de systèmes portable(électronique, médical,...). Les avantages économiques, écologiques, et environnementaux sont multiples: absence de polluants atmosphériques (CFC ou ses substituts HCFC et HFC), moins de bruits et de vibrations (par l'absence de compresseur) et surtout un rendement énergétique nettement supérieur de 20 à 30 % par rapport à la réfrigération classique basée sur la détente et la compression des gaz. Actuellement, le gadolinium (Gd) est le seul matériau utilisé dans la plupart des systèmes de refroidissement. Mais en dépit de ses bonnes propriétés magnétocaloriques, le gadolinium comme la plupart des terres rares s'oxyde facilement, il est trop cher et son application dans la réfrigération magnétique est limitée à la température ambiante. Ainsi, dans le but de remplacer le gadolinium dans les systèmes de refroidissement, ce travail consiste à étudier de nouveaux matériaux magnétocaloriques où développer et optimiser des matériaux à base de terres rares, R-C02 (R = terre rares), LaFe13-xSix et MM'X (X = P, As et M, M' sont des éléments de transition).

La réfrigération magnétique à température ambiante, une alternative à la réfrigération classique, nécessite des matériaux magnétocaloriques performants. L'effet magnétocalorique se traduit par une variation d'entropie et une variation de température du matériau lorsqu'il est soumis à un champ magnétique. Les composées de type LaFe13-xSix présentent des atouts intéressants. Nous avons tout d'abord exploré cette famille de composé. Par substitutions chimiques et par insertion d'éléments interstitiels, nous avons étudié plusieurs compositions dont celles de type LaFe13-x-yCoySix et les hydrures LaFe13-xSixHy qui se sont révélées être les plus prometteuses. Les caractérisations structurales, microstructurales, thermiques et magnétiques entreprises nous ont guidés dans l'optimisation des méthodes d'élaboration : fusion à arc ou induction, des traitements thermiques, du contrôle de la stœchiométrie, etc. Dans un second temps nous avons développé la mise au point de ces matériaux à plus grande échelle en collaboration avec des partenaires industriels.

La réfrigération magnétique attire beaucoup d’attention ces dernières années parce qu’elle est considérée comme une technologie respectueuse de l’environnement et énergétiquement économique. Aujourd’hui, cette technologie avancée est encore en phase de recherche que des dispositifs de réfrigérations magnétiques soient déjà opérationnels. Ce travail de thèse consiste à étudier la potentialité de résistance à la corrosion de différents types de matériaux magnétocaloriques (Gd6Co1.67Si3, Ni2Mn0.75Cu0.25Ga et Pr0.66Sr0.34MnO3) en contact avec un fluide caloporteur. Afin de comprendre les propriétés magnétocaloriques des matériaux, nos recherches se sont aussi focalisées sur les relations entre la transition magnéto-structurales d’alliages Heusler Ni2Mn0.75Cu0.25Ga et (i) la distribution cationique au sein de la structure cristalline et/ou (ii) la microstructure. Finalement, le diagramme de phase magnétique et nucléaire en lien avec les effets magnétocalorique obtenu grâce à la diffraction de neutrons et de pérovskite Pr1-xSrxMnO3 (0.25≤x≤0.45) est également présenté. / Magnetic refrigeration has gained lot of importance and attention as they are highlighted to be environmental friendly, energy efficient. Presently, though at research stage, the magnetic refrigerators are pushed towards realization in domestic application with extensive work on materials and with few working models. One critical issue, the potential resistance to corrosion in case of different class of magnetocaloric materials (Gd6Co1.67Si3, Ni2Mn0.75Cu0.25Ga and Pr0.66Sr0.34MnO3) against the heat transport fluid is addressed. To better understand and improve the observed magnetocaloric properties in Heulser alloys Ni2Mn0.75Cu0.25Ga and to elaborate the same with the magneto-structural relation, studies on (i) cation distribution with in crystal structure and/or (ii) microstructural dependence are presented. Nuclear and magnetic phase diagram based on detailed neutron diffraction and magnetism studies for magnetocaloric perovskite oxide Pr1-xSrxMnO3 (0.25≤x≤0.45) is also presented