Parmi les disciplines scientifiques qui sont utilisées pour prévoir la dynamique des incendies, la mécanique des fluides a un rôle particulier, car elle sert d'interface entre les disciplines, en propageant, si l'on peut dire, l'aléa vers les personnes et les biens. De plus, cette mécanique des fluides est tout sauf évidente : on rencontre des écoulements à masse volumique fortement variable qui conduisent souvent à utiliser les modèles bien au delà de leurs validations académiques. Cela peut en particulier conduire à des incertitudes non maîtrisées. L'objet du présent mémoire est de mettre en perspective ces enjeux et de proposer une vision des progrès récents et des pistes à explorer pour la recherche en mécanique des fluides dans le contexte des incendies en bâtiment.

L'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique instationnaire permettant de simuler l'évolution du climat distribué sous serre pour des conditions de nuit en présence de chauffage et pour des conditions diurnes où l'influence du rayonnement solaire est prépondérante. La thèse s'appuie sur des approches expérimentales et numériques qui ont pour ambition d'être appliquées à deux situations, hivernales et pré-estivales correspondant aux problématiques auxquelles les producteurs doivent faire face : gestion de la température et de l'humidité avec une préoccupation de réduction des consommations énergétiques. Des campagnes de mesures ont été menées au printemps 2010 et à l'hiver 2011 pour, d'une part, améliorer la compréhension des interactions entre les paramètres climatiques, et d'autre part, fournir des données d'entrée et de validation aux modèles numériques. Les campagnes de mesures de nuit (hiver 2011) en présence de chauffage ont mis en évidence les besoins plus importants en chauffage et les températures de toiture plus basses lors des nuits claires. Les campagnes de mesure menées au printemps 2010 ont permis mettre en évidence l'influence prépondérante du rayonnement solaire sur la température et la transpiration du végétal ainsi que le phénomène de stockage-restitution de chaleur dans le sol. Enfin, la forte sensibilité du taux d'humidité ainsi que la moindre dépendance de la température vis-à-vis de la " qualité " de la ventilation a été démontrée. Les données expérimentales sont exploitées afin de mettre en œuvre les modèles de transpiration adaptés aux conditions de culture sous serre. Les bilans hydriques réalisés sur le végétal divisé en deux couches fournissent des informations précieuses sur la distribution de la transpiration et des contributions de chaque couche. Les simulations numériques sont réalisées en 2D instationnaire, en application sur une situation nocturne (nuit claire et nuit nuageuse) et une situation diurne (journée parfaitement ensoleillée). Elles intègrent deux éléments novateurs : la résolution de l'ETR dans le couvert végétal et l'utilisation d'une routine permettant de simuler la condensation. L'évolution des paramètres climatiques simulés est validée sur la base des données expérimentales. Il apparait cependant que les écarts de température et d'humidité entre l'air dans et au dessus du végétal sont sous estimés. Enfin, les modèles numériques sont exploités pour réaliser des bilans hydriques et énergétiques.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l'IVK, se place dans un contexte d'amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d'hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l'environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd'hui dans le milieu industriel à l'aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l'approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d'écoulements. Les travaux de cette thèse s'intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l'écoulement du circuit de refroidissement interne d'une pale de turbine. Pour simplifier l'analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s'intéresse à l'étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d'écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d'une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l'analyse de l'écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l'écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n'est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l'approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d'importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée.

L'évolution actuelle des exigences en termes de performance énergétique des bâtiments a fait apparaître de nouveaux enjeux et problématiques scientifiques, dont ceux liés à l'humidité. Cette étude s'appuie sur une cellule expérimentale construite sur la technologie des maisons à ossature bois et soumise aux conditions climatiques réelles de Grenoble. L'instrumentation de ce bâtiment et le suivi de l'évolution en température et en humidité dans les différentes couches de l'enveloppe permettent de définir des séquences nécessaires à la validation de modèles numériques. Dans cet objectif, un modèle existant nommé HAM-Tools a été utilisé pour simuler les transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité à l'échelle du bâtiment. La démarche de validation a été décomposée en plusieurs étapes, de manière à cibler des transferts spécifiques et d'en améliorer la modélisation. Ces études localisées concernent les transferts couplés de chaleur et de masse à travers les parois solides, la modélisation des transferts de chaleur à travers une lame d'air ventilée et enfin la modélisation du renouvellement de l'air intérieur en conditions naturelles. Pour estimer la précision globale du modèle, c'est-à-dire à l'échelle du bâtiment, une séquence expérimentale a été simulée en prenant en compte l'ensemble des transferts couplés simultanément. Les performances du modèle sont discutées à partir des mesures locales, c'est-à-dire dans les parois, puis globales. La bonne concordance entre mesures et résultats de simulation permet de conclure sur la validité et la généricité de la démarche mise en œuvre et les hypothèses de simulation. Plus particulièrement, il est apparu que l'outil de modélisation permet de prédire correctement le comportement moyen des parois en humidité et en température. Il est donc envisageable de l'utiliser pour simuler et estimer l'impact des constituants des parois en termes de durabilité, de performances énergétiques et de confort de l'occupant.

Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

L'objectif de cette étude est d'analyser l'écoulement traversant le récepteur solaire haute température de la centrale PEGASE. Cet écoulement est turbulent et soumis à un très fort gradient de température. Nous utilisons la simulation des grandes échelles thermiques appliquée aux équations bas-Mach pour étudier l'écoulement turbulent dans une géométrie de canal plan bi-périodique avec températures imposées aux parois. Pour cette étude, nous avons réalisé des simulations pour deux nombres de Reynolds turbulents différents (Re_tau m = 180 et Re _taum = 395) et pour quatre rapports de température (T2=T1 = 1 ; 1; 04 ; 2 et 5). Après avoir validé notre modèle, nous avons réalisé une étude sur la modélisation sous-maille thermique qui conclut sur la nécessité d'utiliser un modèle sous-maille thermique dynamique pour un écoulement ayant une forte intensité turbulente soumis à un très fort gradient de température. Nous analysons l'influence du gradient de température sur les différents profils de vitesse et de température ainsi que sur les spectres d'énergie. Augmenter le gradient de température crée une dissymétrie de tous les profils. Une relaminarisation du côté chaud est visible. On remarque une nouvelle répartition des fluctuations à travers le canal ainsi que de l'énergie en fonction de la taille des échelles. Une création de fluctuations de vitesse et de température a également été mise évidence du côté froid et du côté chaud du canal. Ces effets sont dus, à la fois à une variation de la viscosité cinématique (effet direct de la température) et à une interaction entre les champs turbulents dynamique et thermique.

Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l'isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager...). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l'année en général. De plus, l'eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l'énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d'énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d'eau chaude et d'eau froide utilisant l'air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L'ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s'effectue grâce à l'utilisation d'un échangeur d'équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d'énergie sur la boucle d'eau froide à l'aide d'un sousrefroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l'évaporateur à eau afin d'améliorer les performances par un relèvement de la température d'évaporation et éventuellement de dégivrer l'évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L'énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d'un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d'une bouteille contenant du réfrigérant à l'équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d'air et d'eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L'étude expérimentale a également permis d'observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d'eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l'énergie stockée sur la boucle d'eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d'éventuelles décisions politiques concernant l'impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d'énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l'ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d'économie d'énergie et d'impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à chaleur réversible classique et l'utilisation du dioxyde de carbone présente de bonnes perspectives de développement.

La réduction de la consommation de carburant et des émissions de dioxyde de carbone par les transports, notamment automobiles, conduit au développement de groupes motopropulseurs (GMP) plus économes. Parmi les technologies existantes, l'hybridation électrique des moteurs à combustion interne s'est fortement développée ces dernières années. La minimisation de la consommation d'un GMP de type hybride électrique requiert notamment la connaissance de l'impact des différents transferts thermiques y ayant lieu, notamment après un démarrage à température ambiante. Dans ce contexte, la thèse présentée dans ce mémoire a pour objet l'étude par simulation des transferts thermiques au sein des différents organes du GMP (moteur à combustion interne, moteur électrique, batteries). Elle repose tout d'abord sur un examen bibliographique détaillé des différentes architectures hybrides électriques, des transferts thermiques et les modèles associés, et des différentes stratégies de fonctionnement. Le développement d'un modèle zéro-dimensionnel d'un GMP hybride prenant en compte les différents transferts thermiques est ensuite présenté. Les choix des différents modèles de transferts thermiques sont présentés et justifiés, en termes de précision et de temps de calcul. Pas la suite, l'impact des transferts thermiques est étudié grâce au simulateur, notamment en termes de consommation instantanée et cumulée sur différents cycles de conduite. L'impact des transferts thermiques pour différents niveaux d'hybridation est également quantifié. Finalement, plusieurs études paramétriques et prospectives sont réalisées à la fin de ce mémoire, permettant d'envisager des moyens de réduction de la consommation de carburant.

Les transferts d'humidité dans les matériaux de construction ont une influence importante sur leur durabilité et sur les performances hygriques et thermiques des bâtiments. De nombreux mécanismes d'endommagement chimiques et physiques de ces matériaux sont en effet dus à l'infiltration d'eau. En conséquence, leur structure poreuse peut évoluer au cours du temps, et des fissures microscopiques comme macroscopiques peuvent s'y développer. La description des matériaux à l'échelle microscopique est cependant une source d'erreur importante dans les codes de simulation actuels des transferts d'humidité et de chaleur, notamment en raison du fait que les milieux sont considérés comme homogènes, et que les effets du vieillissement des matériaux sont négligés. Il importe donc de trouver un moyen d'inclure les effets de l'endommagement dans les simulations de transferts d'humidité et de chaleur à l'échelle du bâtiment. Des méthodes existent pour la prédiction du comportement de milieux soumis à des sollicitations hygriques et mécaniques, mais supposent que l'ensemble des facteurs extérieurs influant sur l'endommagement soient connus tout au long des simulations. Une nouvelle méthodologie a été proposée pour compléter ces approches prédictives, en combinant des mesures expérimentales d'endommagement avec la simulation de transferts couplés d'humidité et de chaleur. Une étude préliminaire a d'abord été menée, consistant à mesurer la perméabilité vapeur équivalente d'éprouvettes de mortier multi-fissurées. Cette démarche a permis d'identifier les besoins expérimentaux et numériques de la suite du travail, visant à modéliser les écoulements dans un réseau discret de fissures sur la base de leur caractérisation. Une méthodologie expérimentale combinant corrélation d'images numériques et émissions acoustiques a ensuite été développée, permettant de disposer de cartographies d'endommagement et de proposer une démarche pour la mesure de réseaux de fissures dans les matériaux de construction en place. La méthode optique, associée à une procédure de traitement d'images, a permis de disposer de données précises de la géométrie de réseaux de fissures. De plus, une méthode a été proposée pour permettre l'interprétation des mesures d'émissions acoustiques en termes de quantification, localisation et identification des phénomènes d'endommagement. Un code de simulation a ensuite été écrit, permettant d'intégrer ces mesures de fissuration dans la modélisation des écoulements couplés d'humidité et de chaleur en milieu poreux. Ce modèle a été validé sur la base de mesures expérimentales : la corrélation d'images numériques a été appliquée durant la fracturation d'éprouvettes de béton, dans lesquelles l'infiltration d'eau a ensuite été suivie par radiographie aux rayons X. Les résultats numériques obtenus sont en bonne conformité avec les mesures expérimentales en termes de prédiction de la concentration d'eau en deux dimensions. Enfin, la méthodologie a été appliquée à une série de cas test, dans le but de modéliser les performances hygrothermiques de parois multi-couches, incluant des matériaux endommagés, soumises à des conditions climatiques réelles. On a ainsi pu estimer les conséquences potentielles de l'endommagement sur l'accumulation d'eau dans des parois, sur l'amplitude des cycles de sorption et de séchage, ainsi que sur les transferts thermiques.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures. L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, ...). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermomécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques. La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques locaux. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température aux les prévisions du modèle identifié. Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux ductile (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique associée aux modèles cohésifs. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sousjacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau.