L'étude des sols non saturés, et plus généralement des milieux granulaires multiphasiques, a été principalement traitée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le comportement de ces matériaux trouvant ses origines à l'échelle des particules, nous en proposons une analyse micromécanique, basée sur des simulations numériques utilisant la Méthode des Eléments Discrets. Pour les faibles teneurs en eau, l'eau se concentre sous la forme de ponts liquides intergranulaires dont les propriétés en terme de force et de volume de liquide peuvent être interprétées à travers la théorie de la capillarité. En partant de la description des effets microscopiques de la capillarité, un modèle discret tridimensionnel a été développé. Les propriétés macroscopiques des milieux granulaires faiblement saturés sont ainsi investiguées, aussi bien en terme de rétention d'eau, que de résistance au cisaillement, au travers d'essais réalisés sur des assemblages de grains numériques. En complément d'analyse, les techniques de l'homogénéisation sont mises en oeuvre. Les analyses permettent de mettre en évidence l'importance de la distribution du liquide au sein du milieu, ainsi que le caractère tensoriel des contraintes mécaniques associées aux forces capillaires. La texture du liquide est étudiée, et l'existence d'une contrainte effective est discutée sur des bases microstructurelles. Finalement, une approche est proposée pour simuler l'effondrement au remouillage, caractéristique de la transition d'un état partiellement saturé à un état complètement saturé.

Sur la table de sortie d’un laminoir à chaud, le refroidissement des bandes d’acier est principalement assuré par des rampes de jets d’eau gravitaires qui vont impacter directement la surface supérieure de la bande en défilement. La température de la bande est initialement entre 800 et 900 °C et on cherche à la refroidir à des températures nettement inférieures mais précises avant son bobinage, cette température allant de la température ambiante à 700 °C suivant les propriétés voulues pour l’acier. Ce refroidissement assuré par les rampes de jets est transitoire et la vitesse de refroidissement est variable suivant la nature du régime de refroidissement. Le point de remouillage est défini par la température à laquelle le régime d’ébullition en film stable se termine et s’accompagne généralement d’une hausse significative des flux de refroidissements. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à caractériser ce point par des mesures d’épaisseur de vapeur effectuées à l’aide de sondes optiques. Les sondes optiques permettent de savoir si leur zone sensible est majoritairement dans le gaz ou le liquide et sont généralement exploitées pour faire des mesures de taux de vide. L’utilisation qui en est faite ici, à savoir une mesure précise de position d’interface, a demandé une calibration expérimentale précise afin de connaitre la position exacte de l’interface sur la zone sensible. Afin de disposer d’un outil fonctionnel, nous avons également cherché à modéliser la réponse des sondes à l’aide d’une méthode de lancer de rayons et en prenant en compte la formation du ménisque sur la pointe. Enfin, cette calibration et ce modèle ont été confrontés à des mesures expérimentales dans le cas du refroidissement d’une zone hémisphérique porté à haute température et donnant lieu à un régime d’ébullition en film stable / On a run out table of a hot rolling mill, the cooling of steel strips is mainly provided by ramps of water jets falling down that will directly impact the upper surface of the strip. The temperature of the strip starts between 800 and 900 °C and it is intended to cool at temperatures much lower than the start but still accurate before its winding, the temperature ranges from ambient temperature to 700 °C depending on the required properties for the steel product. This water-based process ensures a transient cooling at an uneven rate depending on the nature of the boiling regime. The rewetting point is defined by the temperature at which the stable film boiling regime ends. In general, the cooling fluxes show a significant increase at this particular transition. In this thesis, we sought to characterize rewetting by vapor thickness measurements and analysis using optical probes. The optical sensors inform us whether their sensitive area is mainly in the gas or in the liquid and are generally used to make void fraction measurements. The use that is made here, namely a precise measurement of the position of the interface, required a precise experimental calibration in order to know the exact position of the interface on the sensitive area. In order to have a working tool, we also modeled the response of the probes by using a ray tracing method and taking into account the formation of the meniscus on the tipoff the probe. Finally, the calibration and model were compared with experimental measurements in the case of the cooling of a hemispherical area initially at high temperature that provides a stable film boiling regime when it is partially immersed

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition.

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition. / The study of rapid transient boiling is an important issue in the nuclear safety. Such a phenomenon may occur in the case of a RIA (Reactivity Initiated Accident) in the core of a nuclear reactor powerplant, where a power excursion can trigger the formation of a vapour film around the fuel rod, leading to an important rise of the rod temperature and a risk of failure. Some studies in reactor conditions provided transient boiling curves but the modeling lacks of reliability. In collaboration with the IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire), an experiment model was built at the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse. It generates the flow of a refrigerant, HFE7000, in a semi-annular section channel, whose inner wall is made of a metal foil rapidly heated by Joule effect, simulating the heating of a fuel rod. Infrared thermography is used to measure the temperature of the metal foil, painted with a black paint to increase its emissivity, causing also an increase of the wall thermal resistance. The measurement accuracy of the interest temperature has been optimized according to the paint thickness and a correction on the energy balance takes account this parameter. These measurements are coupled with a high-speed camera that allows visualizing the boiling regimes and get bubble sizes using image processing algorithms. On a flux-temperature diagram, the heat transfers are represented both for steady and transient regimes. Each boiling regime is then reviewed : convection, onset of nucleate boiling, nucleate boiling, boiling crisis, film boiling and rewetting. Steady regimes are correctly modeled by usual correlations. Transient convection is characterized over the whole wall and its evolution is closed to the quasi-steady solution. It is shown that heat transfer during the transition to nucleate boiling are strongly related to the formation of a large vapor phase that spreads on the wall. A local study of this propagation is then necessary. In order to simulate and control transient temperature during nucleate boiling, a P.I.D. is implemented to impose a steady or ramps temperature (from 5 to 500 K.s 1 ). The results in nucleate boiling make it possible to recover the results of the literature in both steady and transient conditions. The experiment allows to study the heat transfer when a vapor film is formed and insulates the wall. The film boiling regime during heating or the cooling of the wall can thus be stabilized for several seconds with this system. The conditions for triggering of film boiling are thus characterized, as its spread dynamic and its transfers once established. Finally, the implementation of the physical characteristics of our experience in IRSN’s SCANAIR code allows us to begin to calculate and compare our experimental results with numerical simulations. Unsteady conduction calculations are applied to the measured temperature to analyze our results during the convection regime and after the onset of boiling.