Les transferts de chaleur constituent la base de nombreux processus industriels qui sont présents dans notre vie quotidienne. L’intensification de ces échanges et l’amélioration du rendement sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans le monde industriel, des organismes de réglementation mais aussi de la société dans son ensemble, qui prend conscience de l’épuisement progressif des ressources énergétiques et qui se soucie de l’avenir en matière énergétique. Face à ces enjeux énergétiques et environnementaux, Le défi technologique réside dans le développement de nouveaux processus pour une meilleure gestion de l’énergie. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre, et concerne particulièrement les problèmes liés à l’intensification des échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur. Les améliorations des échanges thermiques dites ‘passives’ sont une voie déjà largement élaborée et atteignent leurs limites. De nouvelles stratégies d’optimisation doivent donc être étudiées. Une de ces stratégies consiste à améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs utilisés dans les systèmes thermiques, notamment dans les échangeurs de chaleur. Des progrès importants en chimie ont permis dès la fin des années 90 de synthétiser des particules de taille nanométrique, qui, dispersées dans un liquide porteur, constituent des nanofluides. Leur synthèse répond au besoin d’améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs en y insérant une phase solide de conductivité thermique très élevée. Le fil directeur de ce travail consiste donc à caractériser de manière approfondie le comportement thermique et rhéologique des nanofluides à base de nanotubes de carbone NTC utilisés tout au long de ce travail afin de quantifier les principaux paramètres influençant leurs propriétés thermo-physiques et les phénomènes physiques régissant l’intensification des transferts thermiques induits par ces nanofluides. Une analyse des travaux de recherche antérieurs a été menée dans le but de s’affranchir des différents paramètres qui peuvent influencer le comportement thermique et rhéologique des nanofluides dont on citera les paramètres liés à la composition des nanofluides (fraction volumique des NTC, type de surfactant, rapport d’aspect des NTC), la température, le fluide de base… Suite à cette étude, nous avons mené une étude expérimentale sur les propriétés thermo-physiques des nanofluides testés (conductivité thermique, viscosité dynamique, masse volumique) et sur les performances thermiques dans un échangeur de chaleur. Nous avons présenté également une analyse des résultats de façon à étudier l’influence des paramètres évoqués ci-dessus. Les résultats obtenus sont comparés et discutés vis-à-vis des modèles classiques existants, en proposant des améliorations et des interprétations selon les tendances obtenues. Les résultats prometteurs de cette étude sont très encourageants et montrent que l’utilisation des nanofluides à base de nanotubes de carbone offre clairement une amélioration des performances thermiques par rapport aux fluides de base classiques. Les nanofluides à base de NTC peuvent constituer ainsi un débouché prometteur des transferts thermiques et présentent de bonnes perspectives et développement. / Heat transfer is one of the most important industrial processes in our daily lives. Nowadays, the intensification of the heat transfer and the improving of the energy efficiency have become a major problem in industry, regulatory agencies, and also the society that becomes conscious of the progressive exhaustion of the world’s energy resources and cares about the future of energy. Due to these energy and environmental issues, the technological challenge is to develop new processes for better energy management. This work fits in that context and applies particularly the problems associated to the improvements of heat exchanger’s energy efficiency. The conventional methods for increasing the heat transfer in heat exchangers have already been extensively explored and have reached their objective limits. There is therefore an urgent need for new strategies with improved performances. The novel concept of improving the thermal properties of the working fluids used in thermal system, especially in heat exchangers, has been proposed as a means of meeting these challenges. The innovative concept of nanofluids heat transfer fluids consisting of suspended of nanoparticles with very high thermal conductivities has been proposed for these challenges. The aim of this work is therefore to characterize profoundly the thermal and the rheological behavior of nanofluids containing carbon nanotubes CNTs used throughout of this work. This is in order to quantify the main parameters influencing their thermophysical properties and physical phenomena governing the intensification of heat transfer induced by these nanofluids. An analysis of previous researches has been conducted for the purpose of establishing various parameters that may influence the thermal and rheological behavior of nanofluids, which including the parameters related to the composition of nanofluids (volume fraction of CNTs, type of surfactant, aspect ratio of CNTs), the temperature, the base fluid... Following this study, experiments have been carried out on the thermal physical properties of tested nanofluids (thermal conductivity, dynamic viscosity, density) and thermal performances in a heat exchanger. Analyses of the results have been presented in order to study the influence of the abovementioned parameters. The results obtained are compared and discussed vis-à-vis the existing conventional models, suggesting improvements and interpretations according to the trends obtained. The promising results of this study are very encouraging and show that the use of nanofluids containing carbon nanotubes clearly improved the thermal performances compared to the conventional base fluids. The CNT-based nanofluids can thus be a promising candidate for heat transfer and presents good perspective and development.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale et théorique de la fragmentation de molécules organiques. Nous avons pour cela construit un nouveau réacteur plasma non-thermique et transformé un modèle statistique de fragmentation nucléaire (Microcanonical Metropolis Monte Carlo ou MMMC) pour décrire la fragmentation d'espèces CnHm. Le plasma non-thermique est créé par une impulsion nanoseconde haute-tension (100 kV) avec un front de montée très raide (15-20 kV.ns-1). Cette impulsion permet d'obtenir un volume plasmagène diffus important et de créer de fortes densités d'espèces réactives (radicaux, métastables, etc.) pouvant réagir avec les molécules organiques. Dans le cas de la fragmentation du propane, la décharge hors-équilibre considérée permet de générer comme sous-produits majoritaires du méthane, de l'éthane et du propène. Son efficacité énergétique de conversion est deux fois plus élevée que celle obtenue dans le cas d'une décharge à barrière diélectrique ou d'une décharge pré-ionisée. Le modèle MMMC décrit, pour une énergie fixée, l'espace des phases accessible au système. L'ensemble des degrés de libertés statiques (dégénérescences, excitation interne, localisation, etc.) et dynamiques (translation et rotation) de tous des fragments de la molécule parent sont pris en compte. Les caractéristiques physiques des fragments (énergies de dissociations, géométries, fréquences de vibration, etc.), nécessaires pour ces calculs, sont déterminées à l'aide d'un code ab-initio. Différentes méthodes de calcul (composite ou DFT) et différents niveaux de calcul (sans ou avec polarisation de l'hydrogène) ont été comparés aux données expérimentales. Nous avons montré que la prise en compte de la polarisation de l'hydrogène avait une influence importante sur les résultats. Les probabilités des voies de fragmentation en fonction de l'énergie d'excitation pour les deux méthodes sont relativement proches. Les principaux écarts s’expliquent par des différences d’énergie du fondamental de certains fragments. La comparaison des résultats théoriques et expérimentaux est indirecte car le modèle MMMC ne décrit que la phase de fragmentation. Les produits résultants vont ensuite réagir entre eux et avec le milieu pendant et après l’excitation plasma. L’évolution cinétique complexe des produits doit donc être prise en compte. D’autre part, la distribution d’énergie déposée dans la molécule parent par les états métastables de l'azote et les collisions électroniques doit également être déterminée. Ces deux étapes sont nécessaires pour obtenir des résultats théoriques comparables aux observables expérimentales. Cette étude sera une prolongation naturelle de notre travail. Les résultats expérimentaux semblent toutefois montrer que le modèle surestime le nombre de ruptures de liaisons CH. Ceci est probablement du au fait que la première étape du modèle, la construction des fragments, opère uniquement par rupture de liaisons dans la molécule de propane ou de propène parent. Les molécules fragments H2 et CH4 ne sont donc pas autorisées alors qu’un schéma réactionnel les produisant en une étape est envisageable (et que les fragments C3H6 et C2H4 sont mesurés en abondance). L’énergie non consommée dans leur production est donc reportée sur la rupture de liaisons CH. / This thesis is an experimental and theoretical study of organic compounds fragmentation. For this purpose, we had to built a new non-thermal plasma reactor and modify a statistical model used for nuclear fragmentation (Microcanonical Metropolis Monte Carlo or MMMC) to describe the fragmentation of CnHm types species. The non-thermal plasma is created by a nanosecond high-voltage (100 kV) pulse with a steep rise front (15-20 kV.ns-1). This pulse allows to have a large volume of diffuse plasma and to create important quantities of reactive species (radicals, metastables, etc.), which could react with organic molecules. In the case of propane fragmentation, the non-equilibrium discharge used allows to product as major by-products methane, ethane and propene. The energetic efficiency of the conversion by this discharge is twice more efficient than the one obtained with a dielectric barrier discharge or a pre-ionised discharge. The MMMC model describes, for a given energy, the accessible phase space for the system. All static (discrepancy, internal excitation, position, etc.) and dynamic (translation and rotation) degrees of freedom for every fragment of the initial molecule are taken into account. The physical properties (dissociation energies, geometry, vibrational frequencies, etc.) of each fragment are needed to perform calculations and are obtained by using an ab-initio code. Different computation methods (composite or DFT) and different levels of calculation (with or without hydrogen polarisation) have been compared to experimental values. We have shown that the hydrogen polarisation has an important influence on the properties. Probabilities of fragmentation paths are slightly identical between the two methods. The main differences are explained by the existence of a variation between the ground energy of some fragments. Comparison between theoretical and experimental results is indirect because the MMMC model only described the fragmentation phase. By-products will react between them and with their environment during and after the excitation phase. The complex kinetic evolution of the by-products must be taken into account. Moreover, the energetic distribution injected in the initial molecule by metastable states of nitrogen and electronic collisions must be determined. These two steps are require to obtain theoretical results, which could be compared to experimental ones. This study should be the following work after our study. Experimental results seem to suggest that the model overestimates the number of C-H bonds, that are broken. Probably, because the first step of the model, the construction of fragments, works only by breaking bonds in the initial molecule of propane and propene. Les fragments H2 and CH4 are not allowed, but their production in one reaction is possible (C3H6 and C2H4 are experimentally measured). Non-used energy by their production is reported to break CH bonds

La mise en place de nouvelles normes, de plus en plus contraignantes, est un défi pour l’élaboration de nouveaux matériaux résistants à haute température. Le premier objectif de l’étude est de mettre au point un panneau – coupe-feu 2h à base de plâtre. Il devra présenter à la fois de bonnes qualités d’isolant thermique et des propriétés mécaniques suffisantes pour maintenir l’intégrité d’un ouvrage d’art. Le second objectif est de comprendre, d’une part, l’influence de divers paramètres sur le phénomène de prise du plâtre et d’autre part, de déterminer les propriétés thermomécaniques du composite. Ce type de matériau est obtenu par l’association d’eau, d’une matrice céramique composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté et de charges utilisées en tant que renforts thermiques et/ou mécaniques.Dans une première partie, l’étude porte essentiellement sur la matrice pour laquelle une granulométrie permettant d’optimiser les propriétés mécaniques est déterminée. La matrice est ensuite caractérisée chimiquement. Une étude par calorimétrie isotherme de la réaction d’hydratation du sulfate de calcium semihydraté (plâtre) est réalisée afin de comprendre le mécanisme de prise du plâtre et de maîtriser les temps de prise. Pour cela, on étudie l’influence de la taille des grains, de la quantité d’eau, de la composition chimique du plâtre et de la présence ou non d’adjuvants sur la cinétique d’hydratation du plâtre.Dans une seconde partie, les renforts nécessaires à l’élaboration du composite sont sélectionnés. Les relations entre les quantités de charges et les propriétés thermomécaniques (conductivité thermique, module d’Young, dureté Shore C) du système sont étudiées. Ainsi, une modélisation du comportement du composite sous sollicitations thermique et mécanique est proposée. Cette étude a permis de définir une formulation de panneau présentant de très bonnes propriétés thermiques et des propriétés mécaniques suffisantes pour assurer l’intégrité d’un ouvrage d’art en cas d’incendie. La formulation mise au point a fait l’objet d’un dépôt de brevet (n° BIP207506FR00 en décembre 2010). Cette formulation est actuellement commercialisée par la société EXTHA sous forme de plaques. / The increase of prevention and the introduction of more and more restrictive standards are challenges for the development of new materials resistant to high temperatures. The aim of the study is to develop a fire panel with both good properties of thermal insulator (low thermal conductivity, fumes tightness) and mechanical properties sufficient to maintain a structure integrity in case of fire.That kind of material is composed of an inorganic matrix mainly composed of calcium sulfate dihydrate and of additives used as thermal and mechanical reinforcements. The first part of the study is focused on the matrix, especially on the determination of a particle size distribution for which the mechanical properties are optimized. Then, the matrix is chemically characterized. A study by isothermal calorimetry of the hydration reaction of the calcium sulfate hemihydrate (plaster) is conducted to understand the mechanism of hydration and to control setting times. For this, the influence of the grain size, of the quantity of water, of the chemical composition of plaster, of additives on the kinetics of hydration of the plaster is studied. The second part of this work resumes the different steps of the selection of additives. After that, the relation between the microstructure and thermo - mechanicals properties (thermal conductivity, Young modulus, Shore C hardness) of the system is studied.This study has permitted to establish a panel formulation having very good thermal and mechanical properties to ensure building integrity in case of fire. The formulation has been patented in December 2010 (No BIP207506FR00) and it is currently marketed as panels by Extha.

Le marché des matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de pièces structurales "froides" (-55°C < T < Tamb) arrive à saturation et l’industrie aéronautique vise à utiliser les CMO tissés 3D dans les pièces structurales dites "chaudes" (50°C < T < 300°C) des avions (nacelles,turbomoteurs). Ces conditions environnementales peuvent entrainer des phénomènes de dégradation à long terme. L'action de l'environnement et la complexité de la microstructure peuvent conduire au développement de gradients de propriétés dans les matériaux. À haute température, la matrice polymère peut présenter un comportement complexe dépendant du temps. Il est donc nécessaire de mettre au point une technique expérimentale capable de caractériser le comportement du matériau en fonction du temps à l'échelle locale, pour saisir les gradients des propriétés. Ce travail propose la mise en place d'un essai cyclique d'indentation instrumentée pour répondre à ces questions.L'indentation instrumentée est une technique expérimentale qui a rencontrée un grand succès au cours des dernières années. Dans sa forme classique, développée pour les matériaux à comportement élasto-plastique, elle consiste à réaliser un seul cycle de charge/décharge pour en déduire la dureté du matériau et le module élastique d’indentation. Cette analyse n'est pas appropriée pour les matériaux présentant un comportement dépendant du temps, ce qui nécessite de développer une nouvelle méthode optimisée pour les matériaux polymères. Les méthodes d'indentation pour les matériaux polymères proposées dans la littérature (fluage, dynamique), sont limitées à certaines charges. L'essai cyclique d'indentation proposé dans ce travail vise à mettre en évidence la complexité du comportement du polymère. Il est dérivé des essais cycliques macroscopiques et emploi une méthode d’analyse similaire. La technique est développée sur un polymère thermoplastique, le PEHD, pour lequel la réponse cyclique macroscopique en traction et cisaillement est connue. En suivant l’évolution au cours du temps des principaux indicateurs du comportement cyclique (le module d'indentation,l’aire de la boucle d'hystérésis et l'accumulation du déplacement) pour différentes fréquences, il est possible de mettre en évidence la réponse du matériau et d'effectuer une comparaison qualitative avec le comportement macroscopique. Le protocole d'indentation cyclique est ensuite utilisé pour étudier les gradients de propriétés dans la résine époxy thermodurcissable PR520 soumise à un vieillissement thermique à 150°C sous air à pression atmosphérique (jusqu'à 1000h), sous 2 bar d’O2et de N2 (pour 400h). Il est montré que la cinétique d’évolution du module d'indentation et du déplacement n'est pas affectée par le vieillissement. Cependant, leurs valeurs absolues varient de la surface au cœur du polymère, ce qui indique la présence de gradients. L'hystérésis du premier cycle est différente à travers le gradient, mais à partir du deuxième cycle, l'hystérésis est similaire pour toutes les conditions de vieillissement et les distances de la surface exposée. Les résultats obtenus sur des échantillons vieillis sous 2 bar d’O2 et de N2 permettent de conclure que la cinétique de vieillissement n'est pas de la pure thermo-oxydation. La méthode d'indentation cyclique est ensuite appliquée pour caractériser le comportement de la matrice époxy PR520 dans un composite tissé 3D,à l'état vierge et vieilli à 150°C sous air à pression atmosphérique. L'étude du composite à l'état vierge révèle que le comportement de la matrice polymère à proximité de la surface externe est différent de celui situé dans les zones internes du composite et du polymère pur. La comparaison entre le polymère pur et la matrice à l’état vieilli montre que les gradients de propriétés induits par l'environnement sont similaires. / The market of organic matrix composite (OMC) materials for the realisation of “cold” (-55°C < T < RT) structural parts is going towards saturation and aircraft manufacturers foresee the employment of 3D reinforced OMC in “warm” (50°C < T < 300°C) aircraft structural parts (nacelles, turbo-engines). These environmental conditions may lead to degradation phenomena over long time. The action of environment and the complexity of the material microstructure may lead to the development of material property gradients. At high temperature, the organic polymer matrix may exhibit complex time-dependent behaviour. Therefore, there is a need to develop an experimental technique able to characterise the material behaviour at local scale and to capture material gradients and time-dependent behaviour. The present work proposes the development of a cyclic instrumented indentation test to tackle all these issues. Instrumented indentation is a popular testing technique: its basic version, appropriate for elasto-plastic materials, includes the realisation of a single loading/unloading test, the measurement of the material hardness through the analysis of the indentation print, and the analysis of the unloading curve based on the assumption of elastic unloading behaviour to obtain the indentation modulus. This analysis is inappropriate for materials exhibiting time-dependent behaviour, which leads to the need of a new method optimized for polymer materials.Several indentation methods are available for polymer materials (indentation creep, nanoDMA), but are limited to some specific loadings. The instrumented indentation cyclic test proposed in this work tries to emphasize the whole complexity of the polymer behaviour, is inspired by macroscopic cyclic tests and is analysed similarly. The technique is first set up and developed by testing a HDPE thermoplastic polymer, for which the response to macroscopic cyclic tension and shear loading isknown. By following, at different frequencies, the evolution with time (with cycles) of the principal indicators of the cyclic behaviour – that is, the indentation modulus, the hysteresis loop area and the indentation depth accumulation - it is possible to highlight the time-dependent response of the material and to perform a proper – though qualitative - comparison with the macroscopic behaviour. The cyclic indentation protocol is then employed to study the material gradients in a thermoset PR520epoxy resin subjected to thermal aging at 150°C under air at atmospheric pressure (up to 1000h), 2 barO2 (for 400h) and N2. It is shown that the evolution with cycles of the indentation modulus and the cyclic creep is not affected by thermal aging. However, their absolute values vary from the surface to the core of polymer indicating the presence of gradients. The hysteresis of the first cycle is different through the gradient: from the second cycle, however, the hysteresis is similar for all aging conditions and distances from the exposed surface. Moreover, the time-dependent behaviour stays unchanged. Results from samples aged under 2 bar O2 and 2 bar N2 allow to conclude that the aging kinetics is not related to pure thermo-oxidation phenomena. The cyclic indentation method is finally applied to characterise the behaviour of PR520 epoxy matrix within a 3D interlock textile composite, in its virgin state and thermally aged at 150°C under air at atmospheric pressure (up to 1000h). The polymer inlarge matrix pockets between the fibrous reinforcements is studied in this work, so the constrainingeffect coming from the reinforcement is negligible. The study of the composite in virgin state revealsthat the behaviour of polymer matrix close to the external surface is different from that located ininternal zones of the composite and from the neat polymer. The comparison between the thermallyaged neat polymer and matrix in internal zones of the composite shows that the environment-inducedproperty gradients are similar.

Les conditions environnementales jouent un rôle important dans la stabilité des massifs rocheux. De fait, les variations climatiques peuvent affecter la résistance du matériau et également augmenter les contraintes internes dans le massif. Cette thèse étudie les effets des cycles thermiques atmosphériques sur les roches, dans une approche expérimentale puis numérique. Cette recherche est centrée sur le cas de la falaise de La Roque Gageac, un village du sud-ouest de la France, situé au pied d'une falaise qui présente une caverne à mi-hauteur. Cette commune a été affectée par plusieurs éboulements. Les données issues de l'instrumentation du massif montrent que ces instabilités sont liées aux cycles thermiques. Afin d'isoler l'effet des cycles thermiques dans la roche calcaire de La Roque Gageac, un programme expérimental a été mis en place. Des échantillons ont été prélevés sur deux sites de la falaise (blocs éboulés à l'intérieur de la caverne et carottés dans la face de la falaise). Ces échantillons ont été soumis à des cycles thermiques entre 10ºC et 50ºC afin de simuler les conditions enregistrées sur le site. L'endommagement de la roche est évalué en laboratoire par le suivi de mesures de déformations, de vitesses de propagation d'ondes élastiques et par l'évolution de la résistance à la compression uniaxial. Une réduction de la vitesse de propagation des ondes élastiques de compression et de cisaillement ainsi que de la résistance à la compression du matériau sont observées. De la même façon, les échantillons enregistrent une accumulation de déformations. De plus, la réponse des échantillons est influencée par la composition minéralogique de la roche. Celle-ci est liée au lieu de prélèvement, le calcaire de la falaise montrant une importante hétérogénéité. Les résultats du programme expérimental ont permis la détermination des caractéristiques principales du phénomène d'endommagement thermique. Une loi de comportement modélisant l'effet des cycles thermiques sur la roche calcaire de La Roque Gageac d'un point de vue macroscopique a été proposée. À cette fin, une loi de comportement a été développée. Elle considère la roche comme un matériau composite constitué par de deux composantes, chacune dotée de sa propre loi de comportement thermo-mécanique. Le modèle a été ensuite implémenté dans le code Éléments Finis Code_bright et utilisé pour simuler les essais de laboratoire. Les résultats fournissent, d'une part, une validation du modèle par les mesures expérimentales et, d'autre part, des éléments pour une meilleure compréhension du développement des contraintes internes et de l'endommagement des échantillons pendant les cycles thermiques. / The environmental conditions may play a relevant role in the stability of rock slopes. In fact, weathering can contribute to the reduction of strength of the material, while hydro-mechanical loading actions may induce and eventually concentrate internal stresses in the rock massif. This Ph.D. thesis deals with the effect of atmospheric thermal cycles in rocks, from both experimental and numerical point of view. This research is focused on the real case of La Roque Gageac, a small town located in the south-west of France, which experiences rock fall risk. Installed instrumentation evidenced the main role played by thermal variations in rock falls occurrence. With the aim of isolating the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone, an experimental study is performed. Samples were obtained from blocks felt and intact cores drilled from the cliff face. These samples were submitted to thermal cycles between 10ºC and 50ºC, in order to mimic natural variations. The damage induced in the samples is evaluated through measurements of strains, elastic wave propagation velocities and uniaxial compressive strength. It is observed that samples experience an accumulation in strains and a reduction in the elastic wave propagation velocity and material strength during the imposition of thermal cycles. The response depends moreover on the mineralogical composition of the rock, which varies from sample to sample, as the cliff presents a large heterogeneity. Based on the results obtained in the experimental program, principal characteristics of thermal damage have been evaluated, proposing a constitutive model capable to reproduce the macroscopic mechanical response of the rock under the applied thermal cycles. With this purpose, a constitutive model has been developed. It considers the rock as a composite material made of two components endowed each with its own thermo-mechanical behavior. The model has been further implemented in the Finite element Code_Bright and used to model laboratory tests. Results provide, on the one hand, a validation of the model by the measurements and, on the other hand, insights into a better understanding of the development of internal stress and damage inside the samples during thermal cycles

L'interférence des ondes de phonon peut modifier le spectre de phonon et ainsi la vitesse de groupe et la population de phonon. Ces interférences permettent de manipuler le flux d'énergie thermique en contrôlant la conductivité thermique et en utilisant les miroirs pour réfléchir les phonons. L'application technologique d'interférence de phonons dans les matériaux, par exemple la conversion renforcée thermoélectrique d'énergie et l'isolation améliorée thermique, a propulsé l'exploration des matériaux avec les interférences de phonons plus efficace.Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle approche pour démontrer que la chaleur dans les solides peut être manipuler comme la lumière. Nous contrôlons avec précision le flux thermique par un métamatériau à l'échelle atomique qui comporte des défauts dans le réseau cristallin. L'interférence destructive entre les ondes de chaleur en suivant différents chemins mène à la réflexion totale de phonon et à une réduction remarquable de la conductance thermique. En exploitant cette interférence, nous modélisons une possibilité contre-intuitif de transport thermique: plus de chaleur est bloquée par l'ouverture des chaînes additionnelles de phonon. Le métamateriau thermique est un bon candidat de miroir atomique thermique de haute finesse. Nous renforçons la compréhension sur le contrôle cohérente des phonons qui peuvent être appliquée à la fois au son et à la propagation de chaleur.Dans un deuxième temps, nous introduisons un nano condensateur ultra-compacte de phonons cohérents formé par les miroirs d'interférence de haute finesse basée sur le métamatériau semi-conducteur à l'échelle atomique.Nos simulations de dynamique moléculaire montrent que le nano condensateur stocke les ondes monochromatiques térahertz, qui peuvent être utilisés pour un laser de phonon - l'émission de phonons cohérents. Un laser de phonon soit d'une ou de deux couleurs peut être réalisé en fonction de la géométrie du nano dispositif. Le stockage des phonons cohérents peut être réalisé par le refroidissement de la nano condensateur initialement thermalisé à la température ambiante ou par la technique pump-sonde. Le rétrécissement de la largeur de raie et de le nombre relatif de participation de phonon confirme un confinement dans la nanocavité par une quantité extrêmement faible de défauts de résonance. L'émission des faisceaux acoustiques cohérents en térahertz de la nano condensateur peuvent être réalisés en appliquant une contrainte réversible accordable qui décale les fréquences d'antirésonance.Enfin, nous étudions l'effet d'interférences destructrice de phonon à deux-chemin induite par les forces interatomiques de longue portée sur la conductance thermique et la conductivité d'un alliage silicium-germanium par des calculs atomiques. La conductance thermique à travers un plan atomique de germanium dans le réseau de silicium est sensiblement réduit par l'interférence destructrice du chemin de phonon entre les voisins les plus proches avec l'interaction directe contournant les atomes de défauts. Une réduction quintuple dans la conductivité thermique dans un alliage SiGe à la température ambiante a été observée en introduisant les forces de longue portée. Nous démontrons le rôle prédominant des interférences de phonons harmoniques régissant la conductivité thermique de matières solides en supprimant la diffusion inélastique de phonon à basse température. De telles interférences fournissent un mécanisme résistif harmonique pour contrôler la conduction de chaleur à travers les comportements cohérents de phonons dans les solides. / Wave interference of phonons can modify the phonon spectrum and thereby the group velocity and phonon population. These wave interferences allow the flow of thermal energy to be manipulated by controlling the materials lattice thermal conductivity and using thermal mirrors to reflect thermal phonons.The technological application of the phonon interference in materials, such as enhanced thermoelectric energy conversion and improved thermal insulation,has thrusted the exploration for highly efficient wave interference materials. First, we provide a new approach to demonstrate that heat in solids can be manipulated like light. We precisely control the heat flow by the atomic-scale phononic metamaterial, which contains deliberate flaws in the crystalline atomic lattice,channeling the heat through different phonon paths. Destructive interference between heat waves following different paths leads to the total reflection of the heat current and thus to the remarkable reduction in the material ability to conduct heat. By exploiting this destructive phonon interference, we model a very counter-intuitive possibility of thermal transport: more heat flow is blocked by the opening of the additional phonon channels. Our thermal metamaterial is a good candidate for high-fi nesse atomic-scale heat mirrors. We provide an important further insight into the coherent control of phonons which can be applied both to sound and heat propagation.Secondly, we introduce a novel ultra-compact nanocapacitor of coherent phonons formed by high-finesse interference mirrors based on atomic-scale semiconducto rmetamaterials. Our molecular dynamics simulations show that the nanocapacitor stores monochromatic terahertz lattice waves, which can be used for phonon lasing - the emission of coherent phonons. Either one- or two-color phonon lasing can be realized depending on the geometry of the nanodevice. The two-color regime of the interference cavity originates from different incidence-angle dependence of phonon wave packet transmission for two wave polarizations at the respective antiresonances. Coherent phonon storage can be achieved by cooling the nanocapacitor initially thermalized at room temperature or by the pump-probe technique. The line width narrowing and the computed relative phonon participation number confirm strong phonon confinement in the interference cavity by an extremely small amount of resonance defects. The emission of coherent terahertz acoustic beams from the nanocapacitor can be realized by applying tunable reversible stress which shifts the antiresonance frequencies.Finally, we investigate the role of two-path destructive phonon interference induced by long-range interatomic forces on the thermal conductance and conductivityof a silicon-germanium alloy by atomistic calculations. The thermal conductance across a germanium atomic plane in the silicon lattice is substantially reduced by the destructive interference of the nearest-neighbour phononpath with a direct path bypassing the defect atoms. Such an interference causes a fivefold reduction in the lattice thermal conductivity in a SiGe alloy at room temperature. We demonstrate the predominant role of harmonic phonon interferences in governing the thermal conductivity of solids by suppressing the inelastic scattering processes at low temperature. Such interferences provide a harmonic resistive mechanism to explain and control heat conduction through the coherent behaviours of phonons in solids.

L'un des principaux leviers technologiques permettant le développement industriel de process de production énergétique renouvelable et à haute efficacité, consiste en l'élaboration d'une solution innovante de stockage de l'énergie. Ce système de stockage doit permettre de lisser la période de production et ainsi de suivre au plus près les besoins des consommateurs. Parmi les solutions existantes, le stockage thermique par chaleur latente présente de nombreux avantages qui font qu'aujourd'hui il fait l'objet de plusieurs travaux de recherche et de développement. Cette technologie est basée sur le principe que certaines classes de matériaux, appelés matériaux à changement de phase (MCP), libèrent (transition liquide/solide) ou accumulent (transition solide/liquide) de l'énergie lorsqu'ils sont soumis à un changement de phase. En amont du développement d'un design de stockage, il est essentiel de comprendre et de maitriser les processus thermiques entrant en jeu lors des phases de fusion et de solidification du matériau et cette compréhension passe par le développement de modèles numériques adaptés aux problématiques rencontrées. Dans le cadre de ce manuscrit, la filière technologique qui nous intéresse est celle des centrales solaires à concentration. Porté par l'ADEME dans le cadre du projet STARS (Stockage Thermique appliqué à l'extension de pRoduction d'énergie Solaire thermodynamique), le travail réalisé au sein du LaTEP consiste à analyser les performances d'une solution de stockage via la modélisation de cette dernière en considérant les phénomènes thermiques et hydrauliques. Le travail de modélisation est effectué à l'aide du logiciel de CFD libre de droit OpenFOAM dans lequel est développé et implémenté, par le laboratoire, un module dédié au problème qui nous concerne, à savoir la résolution eulérienne (maillage fixe) des équations de conservation pour un fluide incompressible, en présence d'un changement de phase solide-liquide dominé par des mouvements convectifs (convection-dominated phase change). Concernant les problèmes de transition de phase, diverses méthodes mathématiques et numériques ont été développées pour rendre compte finement de la physique de ces phénomènes. Après avoir effectué une revue de ces dernières dans la première partie du manuscrit, nous avons sélectionné deux formulations que nous avons implémenté dans OpenFOAM. Une fois ce travail réalisé nous avons taché de comparer les résultats renvoyés par ces différentes formulations en les confrontant aux résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Cela nous a permis d'une part de nous conforter dans l'utilisation de nos solveurs et sur la pertinence des résultats obtenus avec ces derniers et d'autre part de mettre en évidence les écarts entre les solutions renvoyées par chaque formulation. Fort de ce constat, nous avons souhaité évaluer l'impact de l'équation d'état utilisée pour relier l'enthalpie et la température, indispensable à la fermeture thermodynamique du système d'équations. Cette comparaison s'est faite par la simulation d'un échangeur type stockage thermique (simulations en 2D) et par l'analyse des performances de ce dernier lors des phases de stockage, de déstockage et au cours de plusieurs séries de cycles. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure sur l'importance d'une bonne caractérisation des MCP afin de pouvoir modéliser leur comportement au plus juste via la formulation mathématique et la loi d'état la plus adaptée / A major technological lever to the industrial development of renewable energy production processes with high efficiency, is the development of an innovative solution to store the energy. This storage device should help to smooth the production period and to follow closely the demand. Among the existing solutions, latent heat thermal storage has many advantages that make today it is the subject of several research and development projects. This technology is based on the principle that certain classes of material, called phase change materials (PCMs), release (during liquid to solid transition) or accumulate (during solid to liquid transition) energy when subjected to a phase change. Upstream of the development of a new storage design, it is essential to understand and master the thermal processes involved in the melting and solidification phase of the material and this knowledge comes through the development of numerical models adapted to the problems encountered. In the particular context of this Phdthesis, the technological process that interests us is that of CSP (Concentrated Solar Power). Funded by ADEME under the STARS Project (Thermal STorage Applied to the expansion of pRoduction of thermodynamic Solar energy), the work done by the LaTEP is to analyze the performance of a storage solution by modeling the latter, considering the thermal and hydraulic phenomena. The modeling work is done with the free source OpenFOAM CFD software in which is developed and implemented by the laboratory, a new module dedicated to the problem we are concerned, namely the resolution of Eulerian (fixed grid) conservation equations for an incompressible fluid in the presence of a solid-liquid phase change dominated by convective motions. Regarding the phase transition problems, various mathematical and numerical methods have been developed to finely consider the physics of these phenomena. After conducting a review of methods in the first part of the Phd thesis, we selected two formulations that we have implemented in OpenFOAM. Once this work done, we have managed to compare the results returned from these formulations by comparing them with experimental results available in the literature and also with analytical cases. This allowed us firstly to strengthen us in the use of our solvers and the accuracy of the obtained results and secondly to highlight the differences between the solutions returned by each formulation. After that, we wanted to assess the impact of the equation of state used to connect the enthalpy to the temperature, essential for closing the thermodynamic equations. This comparison was made by the simulation of a thermal storage exchanger (2D simulation) and by analyzing the performance of this latter during the charge phase, the discharge one and during several series of cycles. The obtained results allowed us to conclude about the importance of a good characterization of PCM in order to model their behavior as accurately via the mathematical formulation and the most suitable state law

Les travaux de simulation menés au cours de cette thèse ont eu pour but de caractériser et de comprendre les phénomènes liés au transfert de chaleur dans des configurations de réseau aléatoire de particules ou de lit fluidisé. Sur la base de simulations numériques résolues à l'échelle des particules, ces configurations d'écoulements diphasiques anisothermes permettent d'extraire des grandeurs physiques locales liées à la microstructure de la suspension ou des informations globales tel que le coefficient de transfert moyen du lit. La première étape des travaux a consisté en la vali- dation de l'outil numérique autant sur l'hydrodynamique que sur le transfert thermique en passant par différents cas d'études académiques ( convection et conduction autour d'une sphère isolée). Ensuite une analyse détaillée du transfert de chaleur est conduite sur des lits fixes pour différentes fractions volumiques de particules, plusieurs nombres de Reynolds et de Prandtl afin d'aboutir à une modélisation macroscopique du flux de chaleur. Sur les configurations de lit fluidisé, les paramètres de simulation ont été variés afin d'étudier la sensibilité des différentes grandeurs hydrodynamiques à la résolution du maillage. Ceci a permis de déterminer les configurations de simulations de lit fluidisé liquide-solide anisotherme pour un coût de calcul modéré. Enfin, une analyse comparative du transfert thermique entre lits fixes et lits fluidisés a mis en évidence les spécificités liées à l'agitation des particules sur le transfert. Ces études ont été conduites dans le but d'obtenir une meilleure modélisation mésoscopique des échanges thermiques dans les écoulements diphasiques et ainsi améliorer leur modélisation à l'échelle macroscopique. / To better characterize and understand heat transfer in fixed and fluidized beds of particles, numerical studies have been carried out in this work. Based on fully Particle Resolved Numerical Simulation (PR-DNS) local and instantaneous informations have been obtained at microscopic scale and further analyzed at macroscopic scale by means of volume and time averages. The first step consisted in a thorough validation of the numerical code on academic configurations (conduction and convection around a single particle). Then, an analysis in arrays of random fixed particles was carried out for several particle volume fractions, Reynolds and Prandtl numbers. From this analysis, the solid-fluid heat transfer was investigated at macroscopic scale and a closure model for the pseudo-turbulent heat flux was proposed. Finally, fluidized bed simulations were performed. These simulations needed a preliminary numerical study in order to select appropriate numerical parameters for accurately reproducing the fluidization with a moderate computational cost. Furthermore, a comparative study of the heat transfer in fixed and fluidized beds was carried out. The entire study aimed at improving the understanding of the heat transfer in particulate flows and dense regimes, in order to provide information for the modeling at macroscopic scale.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet de recherche européen IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies), et vise à développer de nouvelles fibres à base d’un polymère thermoplastique thermostable : le polyéthersulfone (PES) chargé en nanotubes de carbone (NTC). Le principal objectif du projet est l’alignement, l’orientation et l’intégration des NTC dans des matériaux composites structuraux afin d’obtenir des propriétés mécaniques, thermiques et électriques améliorées, en vue de la protection des pièces contre les interférences électromagnétiques (EMI) et la foudre. L’utilisation des NTC comme charges conductrices permettra d’intégrer la fonction de conductivité électrique dans les fibres PES, puis dans le composite final par dissolution de ces dernières et migration des NTC dans la matrice composite époxy. Une première partie de cette étude concerne la conductibilité et les propriétés de tenue au feu des nanocomposites PES/NTC après extrusion. Dans une seconde partie, deux procédés pour la mise en œuvre des fibres sont étudiés : le filage en voie fondue et le filage en voie solvant. Le procédé en voie fondue du PES nécessite l’introduction d’un plastifiant et l’adaptation de panneaux radiants afin d’améliorer la filabilité et de réduire les températures de mise en œuvre de ce polymère thermostable. Des fibres de PES contenant jusqu’à 1,5 % de NTC en masse ont ainsi pu être obtenues. Une pré-orientation et un alignement des NTC sont observés dans l’axe de production des fibres. Un procédé de tissage a ensuite permis une orientation en 2D des NTC. Le filage en voie solvant du PES permet une incorporation d’un taux plus élevé de NTC (2 % en masse). Des fibres semi-conductrices sont obtenues avec un seuil de percolation électrique situé aux alentours de 1 % de NTC en masse. Dans les deux méthodes de mise en œuvre, une corrélation entre le procédé utilisé, la morphologie, la tenue mécanique et la conduction électrique de chacune des fibres est effectuée. L’évolution de la morphologie et des propriétés électriques des fibres après dissolution du PES dans la résine époxy est aussi abordée montrant une amélioration significative de la conductivité électrique dans la matrice composite. / This study falls within the framework of the European project IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies) and aims at developing new carbon-nanotubes-based thermostable polyethersulfone (PES) fibres. The main goal of this project is the alignment, orientation and integration of carbon nanotubes (CNT) in structural composite materials in order to obtain improved mechanical, thermal and electrical properties, for shielding against electromagnetic interference (EMI) and protection against lightning strike. Using CNT as conductive fillers allows the improvement of electrical conduction inside the fibres and then in the composites by the fibres’ dissolution and the CNT migration in the epoxy composite matrix. A first part focuses on the conductibility and the fire behaviour of the nanocomposites PES/CNT. In a second part, melt and wet spinning were studied as methods for producing nanocomposite fibres. To process PES/CNT by melt spinning it was necessary to add a plasticizer and adapt the heating panels, and this allowed PES melt-spun fibres containing up to 1.5 wt. % CNT to be obtained. CNT pre-orientation and alignment in the production axis of the fibres was also noticed. Then, a weaving process permitted CNT orientation in different directions. Using the wet spinning process, a higher CNT content (2 wt. %) was incorporated in the PES fibres. An electrical percolation threshold of around 1 wt. % CNT incorporated in the PES wet-spun fibres was reached. In both spinning methods, a correlation between processing, morphologies, mechanical and electrical properties of the elaborated fibres was established. The evolution of the fibres’ morphologies and electrical properties after their dissolution in epoxy resins is also mentioned and reveals a significant improvement of their electrical conductivity in the composite matrix.

L'objectif de ces recherches est l'amélioration du procédé de placement de fibre par dépose laser, appliqué à des composites Poly(EtherKetoneKetone) / fibre carbone continue. L'optimisation des paramètres de dépose implique l'étude de la stabilité de la matrice, ainsi que l'analyse du comportement thermique des composites. La conductivité et diffusivité thermiques, ainsi que l'émissivité sont les paramètres clés pour comprendre le comportement des transferts volumiques et surfacique dans ces matériaux. Des composites PEKK/particules de carbone ont été élaborés afin d'étudier l'effet de la morphologie du carbone sur les paramètres thermiques. L'émissivité des composites PEKK / fibres continues a été mesurée en comparant les radiations émises par le matériau et celle émises par un corps noir à la même température. La conductivité et la diffusivité thermiques, qui sont des paramètres intrinsèques au composite, augmentent avec le taux de charge et la température. Ces deux paramètres ont été étudiés en fonction de la Température, dans le cas de composite PEKK / fibre carbone continue et PEKK / particules de carbone pour plusieurs taux de charge. / : The aim of this research is the improvement of the laser depositing fiber placement process, applied to Poly (EtherKetoneKetone) / continuous carbon fiber composites. The optimization of deposit parameters implies the investigation of the stability of the matrix and of the thermal behavior of composites. Thermal conductivity, diffusivity, and optical emissivity, are the key parameters for understanding the behavior of volume and surface conduction of composites. PEKK / carbon particle composites have been processed to study the effect of carbon morphology on thermal parameters. The emissivity of the PEKK / continuous fiber composites was measured by comparing the radiation emitted by the material with the one emitted by a black body at the same temperature. Thermal conductivity and diffusivity, which are intrinsic parameters of the composite, increase with the rate of charge and the temperature. These two parameters have been studied as a function of temperature, in the case of PEEK / continuous fibers composites and PEKK / carbon particles composites for various charge rates.