L’objectif de cette thèse a été d’utiliser une approche numérique pour étudier l’impact des dommages d'irradiation sur la microstructure du combustible nucléaire composé d'un mélange d’oxyde de plutonium et d’uranium (MOX). Cette approche, réalisée à l'échelle atomique, repose sur l'utilisation de potentiels empiriques développés dans la littérature pour l'oxyde mixte $(U,Pu)O_2$ dans l’approximation des interactions d’ions rigides.Une première étape a été une analyse critique des propriétés structurales, thermodynamiques et mécaniques prédites par 5 potentiels de la littérature. Les calculs de dynamique moléculaire ont été réalisés à l'aide du code LAMMPS, sur l'ensemble de la gamme de composition de $UO_2$ à $PuO_2$ et à des températures comprises entre 300 K et le point de fusion. Nous montrons que les potentiels les plus satisfaisants sont ceux développés par Cooper et Potashnikov. Ces deux potentiels reproduisent correctement la stabilité thermodynamique des phases ainsi que l'évolution en température des paramètres de maille et de la chaleur spécifique. Cependant le comportement mécanique des oxydes est différent selon le potentiel choisi. Tout d'abord, on note que les constantes élastiques et le facteur d'anisotropie obtenus par le potentiel Cooper sont plus fidèles aux recommandations de la littérature. Ensuite, nous montons que la propagation d'une fracture induit une transformation de phase en pointe de fissure avec le potentiel de Cooper alors qu'une fissuration fragile est observée avec le potentiel Potashnikov.Une seconde étape a été l'étude des dommages d'irradiation dans les oxydes mixtes en se limitant à l'utilisation des deux potentiels de Cooper et de Potashnikov. Des calculs de dynamique moléculaire de cascades de déplacement ont été réalisés à différentes énergies, température et compositions en plutonium. Ensuite, afin d'évaluer les dommages d'irradiation sur des temps plus longs que ceux accessibles en dynamique moléculaire, la méthode d’accumulation de défauts a été utilisée. Pour les deux potentiels, l’évolution des dommages primaires avec l’augmentation de la dose suit globalement les mêmes étapes que celles trouvées précédemment dans $UO_2$. Tout d’abord, les défauts ponctuels sont créés. Par la suite, ils se regroupent et forment de petites boucles de Frank, qui après se transforment en dislocations parfaites. Cependant, la cinétique de la recombinaison de défauts ponctuels est significativement plus lente avec le potentiel de Cooper ce qui conduit à la création de petites régions désordonnées pour les cascades d'énergie élevée. L’effet de la teneur en plutonium est analysé. Nous montrons en particulier que la densité de dislocations crée diminue lorsque la teneur en plutonium augmente.Bien que la dynamique moléculaire a été décrite comme un microscope moléculaire en raison de sa capacité à décrire avec précision des systèmes atomiques, elle présente un inconvénient majeur, celui lié aux temps de l’ordre de la femto-seconde nécessaires pour résoudre les vibrations atomiques. Cela limite le temps total de simulation approximativement quelques nanosecondes. Afin de stimuler les processus, tels que la diffusion de cations, un autre outil de calcul est nécessaire. Les techniques de Monte Carlo (KMC) atomiques peuvent simuler de plus longtemps que la dynamique moléculaire . Cependant, pour que KMC fonctionne avec précision, il est nécessaire de connaître a priori tous les mécanismes de transition entre les états possibles. Pour cette raison, la method de Monte Carlo cinétique adaptative (aKMC) est choisie pour surmonter ces limitations. Cette méthode détermine les états de transition disponibles pendant la simulation. De cette manière, elle entraîne le système dans des états imprévus via des mécanismes complexes. La puissance de cet outil s'est révélée efficace pour découvrir la recombinaison de cations sur de plus longues périodes de temps que la DM. / The objective of this doctoral research is to use a numerical approach to study the impact of irradiation damage on the microstructure of the mixed uranium-plutonium oxide fuel (MOX). This numerical approach comprises mainly the use of Molecular Dynamics (MD) using empirical potential. Several empirical potentials for $(U,Pu)O_2$ can be found in the literature. The results of these potentials can exhibit significant differences. For this reason an extensive assessment of the main empirical potential found in the literature had to be performed.Five empirical interatomic potentials were assessed in the approximation of rigid ions and pair interactions for the $(U_{1-y},Pu_y)O_2$ solid solution. Simulations were carried out on the structural, thermodynamics and mechanical properties over the full range of plutonium composition, meaning from pure $UO_2$ to pure $PuO_2$ and for temperatures ranging from 300 K up to the melting point. The best results are obtained by potentials referred as Cooper and Potashnikov. The first one reproduces more accurately recommendations for the thermodynamics and mechanical properties exhibiting ductile-like behaviour during crack propagation, whereas the second one gives brittle behaviour at low temperature.From our results from the empirical potentials assessment, we can move to the radiation damage using only two potentials (Cooper and Potashnikov). In order to know the main source of defect during irradiation, MD displacement cascades were simulated. This revealed the damage created due to varying projectile energies. In addition, the Frenkel pair accumulation method was chosen to investigate the dose effect. This method circumvents the highly computing time demanding accumulation of displacement cascade by directly creating their final states, i.e. mainly point defects. Overall, results obtained with both potentials show the same trend. However, kinetics of point defect recombination are significantly slower with Cooper potential implying creation of small disordered region with high energy displacement cascades. The evolution of the primary damage with increasing dose follows the same steps as those found previously in pure $UO_2$. First, point defects are created. Subsequently, they cluster and form small Frank loops, which in turn transform and grow into unfaulted loops. We demonstrate also that increasing temperatures accelerate the production of dislocations shifting their creation to lower doses. The effect of the plutonium content is also evidenced, especially with Cooper potential. It shows that the dislocation density decreases when the plutonium content increases.Although, MD has been described as a molecular microscope due to its ability to discribe accuratily systems of atoms, it has a large drawback that is the short time steps of the order of femto-seconds needed to resolve the atomic vibrations. This limits the time typically few microsecond. In order to invetigate processess, such as, cation diffusion and rare-event annihilation of defects after cascaces, another computational tool is required. Atomistic or object kinetic Monte Carlo (KMC) techniques can run for longer timescales than MD. However, for KMC to work accurately, all of the possible inter-state transition mechanisms and their associated rates need to be known a priori. For this reason, the adaptive kinetic Monte Carlo (AKMC) is chosen to overcome these limitations. This method determines the available transition states during simulation. In this way, it takes the system into unforeseen states via complex mechanisms. The power and range of this tool proved to be efficient to discover cation Frenkel pair recombination over a longer periods of time than MD.

Secondary working fluids (secondary refrigerants, heat transfer fluids, antifreezes, brines) have long been used in various indirect re-frigeration and heat pump systems. Aqueous solutions (water solu-tions) have long been used as single phase (liquid only) secondary working fluids for cooling in supermarkets, ice rinks, heat recovery systems, heat pumps and other applications. However, aqueous solutions are increasingly used also for freezers in supermarkets and other applications in low temperature refrigeration. Of importance when comparing different secondary working fluids for indirect systems are the following basic thermophysical properties: freezing point, density, viscosity, specific heat, and thermal conductivity. Reliable data of these properties are needed to choose suitable fluid and to make technical calculations of an indirect refrigeration or heat pump system. The main intention of this work has been to select thermophysical property data with good or acceptable technical accuracy of a number of aqueous solutions that can be used by the refrigeration and heat pump industry, rather than focusing on a limited number of property values or scientifically very accurate measuring techniques. A thorough literature search was in view of this made to find the most reliable property values of aqueous solutions. Detailed literature references are given for thermo-physical properties of the following aqueous solutions, without other additives: Ethylene and propylene glycol, ethyl and methyl alcohol, glycerol, ammonia, potassium carbonate, calcium, lithium, magnesium and sodium chlorides as well as potassium acetate and potassium formate. Some laboratory measurements were made of most of the fluid types when literature values were incomplete or deemed unreliable. Methods used are briefly described and results are given. Much of the work was reported on in the Engineering Licentiate Thesis: Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants, A Critical Review on Literature References and Laboratory Measure-ments (Melinder 1998a). That material forms the basis for the charts and tables used in the IIR-publication Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants (Melinder, 1997). The present thesis reports on an update made since 1998, including re-view work done on two additional fluids not covered in Melinder (1998a). The thesis describes how the selection of property values results in tables and charts intended for the industry. Coefficients for poly-nomial equations are generated from these property values using a Matlab program and this material is intended as a useful tool for computer treatment. Aqueous solution of ethyl alcohol is used as example to see how this process is made. This choice of fluid can also be seen as a test of this method, as the basic thermophysical properties of aqueous solutions of ethyl alcohol present more chal-lenges than the other fluids examined. A comparison is made of a few types of aqueous solutions used as secondary working fluids for two types of applications. The first example is bedrock heat pumps and the second is cooling cabinets in a supermarket. An effort is made to see how the additive con-centration affects the thermal performance. Most aqueous solutions used as single-phase secondary fluids can also be used as ice slurry, a fluid consisting of liquid and ice where small ice crystals are produced, usually with some type of ice generator. The ice crystals are then transported to the cooling object from which heat is removed when ice crystals melt. This results in less temperature change in the cooling object and makes it also possible to reduce the volume flow rate and to use smaller pipe dimensions in the system. In order to choose a secondary fluid for ice slurry use and to make correct technical calculations of the ice slurry system there is a need to examine and evaluate thermo-physical properties and other aspects of ice and of the aqueous solution used. For dimensioning purposes it is of interest to estimate ice mass fraction and enthalpy values and enthalpy-phase diagrams can serve that purpose. This thesis presents enthalpy-phase diagrams made by author that besides isotherms contain lines with ice fraction and lines connecting enthalpies at freezing point and 1, 2, etc. to 10 K below the freezing point curve. / QC 20100609

Submitted by Deyse Queiroz (deysequeirozz@hotmail.com) on 2018-06-13T13:06:26Z No. of bitstreams: 1 JOÃO TAVARES NUNES - DISSERTAÇÃO PPGEA 2011..pdf: 11091920 bytes, checksum: d63185b45641e3f0c461d42c911f608b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-13T13:06:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOÃO TAVARES NUNES - DISSERTAÇÃO PPGEA 2011..pdf: 11091920 bytes, checksum: d63185b45641e3f0c461d42c911f608b (MD5) Previous issue date: 2011-09 / Com o intuito de aproveitar o fruto do mandacaru produzido na região semiárida do Nordeste visando à produção de polpas e sucos, o presente trabalho teve como objetivo determinar as principais propriedades termofísicas, massa específica, condutividade térmica, difusividade térmica e calor específico, além do comportamento reológico das polpas integral e concentradas do fruto do mandacaru até os teores de 35 e 56 °Brix. A massa específica foi determinada pelo método picnométrico; para a difusividade térmica utilizou-se o método do cilindro infinito de Dickerson; o valor do calor específico foi obtido usando através do método das misturas e a condutividade térmica foi calculada por método indireto. Equações propostas em literatura também foram utilizadas para estimar as propriedades termofísicas. Os dados reológicos foram determinados utilizando-se um viscosímetro Brookfield e os modelos de Casson, Ostwald-de-Waelle e Herschel-Bulkley, ajustados aos dados experimentais, ressaltando-se que o último modelo foi o que proporcionou os melhores ajustes. As polpas com a concentração de 12 °Brix apresentaram comportamento não-newtoniano do tipo dilatante; no entanto, as polpas com concentrações de 35 e 56 °Brix apresentaram comportamento não newtoniano do tipo pseudoplástico. A viscosidade foi influenciada pela concentração e temperatura. A polpa integral do fruto do mandacaru foi considerada um alimento ácido, com baixo conteúdo mineral, alto teor de umidade e de atividade de água, com predominância da intensidade de amarelo. As propriedades termofísicas se mantiveram em faixa esperada para polpas de frutas. A massa específica aumentou com o aumento do teor de sólidos solúveis totais e o calor específico e a difusividade térmica diminuíram com o aumento da concentração. Das equações utilizadas para estimar a massa específica, calor específico, difusividade térmica e condutividade térmica, apenas as referentes a massa específica podem ser consideradas razoáveis para todas as amostras, com erros abaixo de 20%. / In order to make better use of mandacaru fruit grown in the semiarid Northeast of Brazil for pulp and fruit production, this study sought to determine the main thermophysical properties, density, thermal conductivity and specific heat capacity, in addition to rheological behavior of whole and concentrated mandacaru fruit pulp up to a content of 35 and 56 °Brix. Density was determined by the pycnometric method; the Dickerson infinite cylinder method was used for thermal diffusivity; the heat capacity value was obtained by the method of mixtures and thermal conductivity by the indirect method. Equations proposed in the literature were also applied to estimate thermophysical properties. Rheological data were determined using a Brookfield viscometer and Casson, Ostwald-de-Waelle and Herschel-Bulkley models, fit to experimental data, with the last model exhibiting best fit. Pulps with a concentration of 12 °Brix showed dilatant non- Newtonian behavior; however, those with concentrations of 35 and 56 °Brix displayed pseudoplastic non-Newtonian behavior. Viscosity was influenced by concentration and temperature. Mandacaru whole fruit pulp, predominantly yellow, was considered acidic, with low mineral content, high moisture content and water activity. Thermophysical properties were in the expected range for fruit pulp. Density increased with a rise in soluble solid content, while heat capacity and thermal diffusivity decreased with increased concentrations. Of the equations used to estimate density, heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity, only those related to density are adequate for ali samples, with an error of less than 20%.

Différentes familles de liquides ioniques ont été sélectionnées pour leur capacité d’absorption de gaz et plus particulièrement de dioxyde de carbone. L’objectif de ces travaux est de définir les liquides ioniques les plus à même d’être utilisés en tant qu’absorbants dits alternatifs dans les procédés de captage de gaz, l’enjeu principal étant à terme de diminuer les coûts de production des procédés industriels. Les systèmes retenus sont des liquides ioniques purs issus de la combinaison de cations imidazolium, pyrrolidinium et phosphonium avec des anions de type carboxylate ou tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate ainsi que des mélanges binaires de liquides ioniques avec anion carboxylate + eau. L’absorption de différents gaz - dioxyde de carbone, azote, protoxyde d’azote et éthane - dans les liquides ioniques purs ainsi que dans les mélanges liquide ionique +eau a été mesurée dans une gamme de températures comprises entre 303.15 et 353.15 K et pour des pressions proches de l’atmosphérique. La sélectivité des liquides ioniques pour l’absorption de dioxyde de carbone par rapport aux autres gaz a pu être déterminée. La caractérisation de l’absorption de gaz est fonction des systèmes étudiés, les interactions entre les gaz et certains liquides ioniques (ou certains mélanges liquide ionique + eau) étant uniquement de type physique alors que dans d’autres systèmes, l’absorption est le résultat à la fois d’interactions physiques mais également de la présence de réaction chimique. / Different classes of ionic liquids have been selected for their ability to solubilize gases and more particularly carbon dioxide. The objective of this work is to define the ionic liquids which are most likely to be used as alternative absorbents in capture processes of gases, the main issue is to reduce the costs of production of the industrial processes. The systems used are the pure ionic liquids from the combination of imidazolium, phosphonium and pyrrolidinium cation with carboxylate or tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate anion and binary mixtures of ionic liquids with carboxylate anion + water. The absorption of different gases - carbon dioxide, nitrogen, nitrous oxide and ethane – in pure ionic liquids as well as in mixtures of ionic liquid + water was measured in a temperature range of between 303.15 and 353.15 K and pressures close to atmospheric. The selectivity of ionic liquids for the absorption of carbon dioxide from other gases could was determined. Characterization of gas absorption is a function of the studied system, since the interactions between gas and ionic liquid (or mixture ionic liquid + water) are of the physical type for some systems, while in other, the absorption is the result of both physical interaction and chemical reaction.

Um fator importante para o desenvolvimento de projetos de microssistemas é o conhecimento de propriedades termomecânicas dos materiais e a compreensão dos mecanismos de falhas. Este trabalho estuda o comportamento mecânico de microvigas atuadas termicamente e propõem um método para ser utilizado na caracterização de propriedades termomecânicas de filmes finos. Fabricou-se vigas de Oxinitreto de Silício em que se aplicou a microscopia Nomarski para observar a deformação e a ocorrência do fenômeno de flambagem. / An important factor to develop microsystems is knowledge of materials properties and failure mechanisms. This research studies the thermal actuated microbeam mechanical behavior and propose a method in order to characterize thermomechanical properties of thin films. Silicon Oxynitride microbeams are fabricated and Nomarski microscopy was applied to observe strain and buckling phenomenon ocurrence.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l’humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l’outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l’ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d’études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l’impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d’étude a été dédié à l’étude de l’efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d’apparition de désordres liés à l’humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s’est focalisée sur l’analyse de l’impact de l’état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l’échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d’étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence d’une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments. / The present PhD thesis work is conducted in the framework of the National Program ANR HUMIBATex Project « How to predict the disorders caused by moisture? What technical solutions to renovate the existing buildings? ». It deals with the numerical and experimental modeling of a coupled heat, air and moisture transfers at different scales: material, envelope and building ambience. In the theoretical part, based on expression of heat and moisture (vapor, liquid and air) balances equations, a phenomenological model describing the coupled heat, air and moisture transfer (HAM) through the wall has been developed. After validation stage (comparison with experimental results and analytical solution), the model has been implemented with confidence in a building energy simulation code (BES). Using this HAM-BES dynamic co-simulation tool, the hygrothermal behavior of the wall and indoor air of buildings were predicted finely. Two cases studies have been undertaken. The aim of the first one was to highlight the impact of hydrothermal transfers on the prediction of building energy consumption. However, the second case study was devoted to study efficiency of different ventilation strategies (extracting or insufflation) on the control and reduction of disorders caused by moisture in residential buildings. In the experimental part, a characterization campaign of physical, hydric and thermophysical properties of construction materials has been carried out. This experimental campaign has been focused on analyzing of the impact of thermal and hydric state of the construction material on the hygrothermal properties values. In another work, several experimental devices, at small-scale and wall scale, were designed in the laboratory to study the hygrothermal response of different building envelopes configuration and validate the developed HAM-BES dynamic co-simulation platform. Results of confrontation have showed good agreement between the numerical solution and experimental measurements.The obtained results in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of a detailed modeling of coupled heat air and moisture transfer through the wall on the hygrothermal behavior prediction of the indoor air, on assessment of pathology indicators and on the evaluation of the buildings energy loads.

Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion. / Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden lämpötila- ja faasimuutoskäyttäytymistä sekä estimoidaan mallin reunaehtoja. Näin luotu inversio-ongelma on kuitenkin matemaattisesti tarkasteltuna ns. huonosti asetettu ongelma, ja sen ratkaisemiseksi käytetään iteratiiviseen säännöllistämiseen perustuvaa menetelmää. Väitöstyön inversioanalyysiä havainnollistetaan pilot-mittakaavan kokeiden avulla, joissa hilsepesuria käyttäen koekappaleen jäähtymisnopeus saadaan erittäin korkeaksi. Tulokset nostavat esille inversio-analyysiin liittyviä ongelmia ja rajoitteita nopeaan jäähtymiseen sekä lämpötilamittauksiin liittyen.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation. / A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

Dans ce travail de thèse, nous proposons dans une première partie l’usage de fibres de la plante marine Posidonia-Oceanica pour la fabrication de matériaux d’isolation thermique de bâtiments. Les caractérisations thermiques effectuées ont permis de mettre en évidence l’effet de la densité des fibres et de traitements chimiques. Il apparaît que ce type de fibres possède une conductivité équivalente à celle d’autres isolants courants et une capacité thermique massique plus élevée. La conductivité thermique en fonction de la masse volumique est comprise entre 0.04 et 0.07 W.m-1.K-1. La capacité thermique massique atteint environ 2500J.kg-1.K-1. Il apparaît également que l’influence du traitement chimique sur les propriétés thermiques n’est pas significative. Les résultats obtenus font de ces fibres un bon candidat pour une utilisation comme isolant thermique dans le domaine du bâtiment. Dans une seconde partie, ces fibres sont utilisées pour le renforcement d’une pâte de ciment. Une gamme de composites a été formulée pour des fractions volumiques en fibres allant de 0 à 20%. Une étude des propriétés hydriques de ces composites a été menée et complétée par des analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et des mesures des propriétés thermophysiques par la méthode du Hot-Disk durant le cycle de séchage. D’autre part, la quantification de la sensibilité de ces matériaux à l’humidité relative a été réalisée par la mesure de la variation de la teneur en eau dans les échantillons dans des environnements à humidité contrôlée. Ces mesures permettent de déterminer le coefficient de diffusion de l’eau. Celui-ci augmente légèrement avec l’augmentation du taux de fibres dans le composite. Du point de vue thermique, l’ajout de fibres améliore les propriétés isolantes des matériaux. En effet, une diminution de 22% sur la valeur de la conductivité thermique est notée avec l’introduction de 20% de fibres, par comparaison à l’échantillon de ciment témoin. L’influence sur la diffusivité thermique et sur la capacité thermique massique n’est pas significative. Du point de vue mécanique, la résistance à la traction par flexion et la compression augmentent légèrement jusqu’à 5 à 10% en volume de fibres puis diminuent. En revanche, une augmentation notable des valeurs de ténacité a été observée avec l’augmentation du dosage en fibres. Une augmentation de 65% est observée avec l’ajout de 20% de fibres. En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation analytique simplifiée a été réalisée. Celle-ci permet d'obtenir des modèles de prédiction des valeurs de la conductivité thermique, de la résistance à la traction par flexion, de la résistance à la compression et de la ténacité en fonction de la quantité de fibres dans le matériau / In this work, we have firstly studied the use of fibers extracted from the marine plant Posidonia-Oceanica as loose-fill thermal insulation material for buildings. Measurements were conducted and allowed the determination of the effect of fibers density and chemical treatments on thermal properties. Thermal conductivities were lying between 0.04 and 0.07 W.m-1.K-1, whereas the heat capacity is about 2500 J.kg-1.K-1. Thus, it was found that fibers thermal conductivity is close to the one of commonly used thermal insulation materials and that their heat capacity is significantly higher. It was also found that the influence of chemical treatment on the thermal properties is not significant. Measurement results showed that these fibers could be a promising ecological loose-fill insulation material in the construction field. Secondly, fibers were used as reinforcement for cement paste. A set of composite samples were formulated by varying fibers volume fractions from 0 to 20%. Their hygroscopic, thermal and mechanical properties were evaluated. Composites were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and their thermophysical properties were measured with a Hot Disk thermal constants analyzer during the drying cycle. Sensitivity of these materials to relative humidity was examined by measuring the water content variation in controlled humidity environments. These measurements allowed the quantification of the water diffusion coefficient. This coefficient increased slightly with the increase of fibers content in composite samples. Concerning thermal properties, the addition of Posidonia-Oceanica fibers improved the material insulating properties. In fact, a decrease of about 22% on thermal conductivity values was found with the introduction of 20% of fibers compared to the unfilled cement paste. For Posidonia-Oceanica fibers volume fractions considered in this study (0 to 20 Vol.%), the effect of the presence of fibers on thermal diffusivity and on heat capacity is not significant, regarding the measurement uncertainties. Concerning mechanical properties, flexural and compressive strengths increased for about fiber volume fractions in the range of 5 to 10%. Moreover, a noticeable increase of toughness was observed with increasing fibers amount: for instance, an increase of about 65% was observed with the introduction of 20% of fibers in the composite. Based on the experimental observations, simplified analytical models were developed to predict thermal conductivity, flexural strength, compressive strength and toughness as a function of fibers volume fraction in the material

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.