Les orages tropicaux jouent un rôle incertain dans le transport de l'air troposphérique dans la stratosphère limitant notre capacité à prévoir le climat futur. Le transport par les orages pourrait en effet être sous-estimé dans les modèles de climat aux résolutions trop grossières. L'efficacité de ce transport est analysée à partir de simulations numériques de l'orage Hector the Convector jusqu'à une résolution de 100 m, la plus fine jamais utilisée pour un cas de convection très profonde. Les percées nuageuses, qui avaient été observées à son sommet à 18 km d'altitude, sont reproduites et l'hydratation nette de la stratosphère est quantifiée. La contribution des orages tropicaux au flux d'eau de la troposphère à la stratosphère est ainsi estimée à près de 20 %. La quasi-convergence aux résolutions de 200 m et 100 m suggère que de telles résolutions sont nécessaires pour représenter correctement les ascendances. L'analyse individuelle des ascendances indique que les deux plus grandes contribuent à plus de 90 % du flux de masse vers la basse stratosphère. Elles sont plus larges, plus puissantes et contiennent plus d'eau que les plus grandes ascendances une heure avant et une heure après, et leur cœur convectif apparaît très peu dilué. L'alimentation en surface par des lignes de convergence intensifiées par des poches froides et la faible dilution des deux plus grandes ascendances sont déterminantes dans l'apparition de la convection très profonde. L'analyse isentropique de la circulation générale dans Hector confirme le flux de masse calculé par l'analyse des ascendances. Elle le corrige dans les basses couches en prenant en compte les flux turbulents, et en haute troposphère en filtrant les ondes de gravité. Elle met en évidence l'importance du dégagement de chaleur latente dû à la congélation dans les plus grandes ascendances pendant la phase de percée en stratosphère. / The tropical thunderstorms play an uncertain role in the transport of tropospheric air into the stratosphere, limiting our capability to predict the future climate. The transport by the thunderstorms may be underestimated by the climate models, due to their coarse resolutions. The efficiency of this transport is analysed using numerical simulations of the thunderstorm Hector the Convector with resolutions down to 100 m, the finest ever used for a case of very deep convection. The overshoots, that were observed at its top at 18 km altitude, are captured and the net hydration of the stratosphere is quantified. The contribution of the tropical thunderstorms to the water flux from the troposphere to the stratosphere is then estimated to about 20 %. The almost convergence at 200 m and 100 m suggests that such resolutions are necessary to correctly represent the updafts. The individual analysis of the updrafts indicates that the two tallest contribute beyond 90 % of the mass flux into the stratosphere. They are larger, more vigorous and contain more water than the tallest updrafts one hour before and one hour after, and their convective core was weakly diluted. The supply from the surface by the convergence lines, intensified by the cold pools, and the weak dilution of the two tallest updrafts are determinant for the development of very deep convection. The isentropic analysis of the overturning inside Hector confirms the mass flux computed with the updrafts analysis. It corrects the estimate in the lower troposphere by taking into account the turbulent flux, and in the upper troposphere by filtering out the gravity waves. It highlights the importance of the latent heating due to freezing in the two tallest updrafts during the phase of overshoot in the stratosphere.

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés. Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. L’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est également étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression est observé. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W ont été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifique possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés. / In order to be able to design properly low pressure evaporators for sorption chillers, knowledge on vaporization of the refrigerant under conditions that might occur in these evaporators is fundamental. However, few studies focus on this subject and there is a lack of knowledge about vaporization (boiling or evaporation) phenomena occurring in compact evaporator at low pressure. The aim of the present thesis is thus to go further into the understanding of these phenomena both from a fundamental point of view and from an applicative point of view. In that goal, two experimental test setups were designed and built. The first experimental setup allows the observation of the water behavior at a pressure down to 0.8 kPa in pool boiling configuration. As the hydrostatic pressure is of the same order of magnitude as the vapor pressure, the boiling environment is highly subcooled. This unusual environment has an influence on the bubble size and on the bubble growth: its influence is analyzed. Boiling curves for pressures ranging from 0.8 kPa to 100 kPa were also plotted. Then, in order to be closer to a plate-type heat exchanger configuration, water pool-boiling in vertical configuration first without and then with confinement was studied. Boiling curves for a pressure ranging from 1.2 kPa to 5 kPa, different heights of the liquid level and for different channel thicknesses were plotted and analyzed. The occurrence of a specific boiling regime is observed. The influence of the onset of this specific regime on the heat transfer is shown. The significance of the Bond number, often used in study of boiling in confined space, is also discussed. The second experimental setup allows the observation of the water vaporization inside a channel of a smooth plate-type heat exchanger (0.2 m width x 0.5 m height) in conditions that might occur in sorption chillers (working pressure ranging from 16 kPa to 0.85 kPa, secondary fluid temperature ranging from 10.9 to 23.1 °C, filling ratio ranging from 1/2 to 1/10 of the whole channel height). The methodology of the design of experiments was followed for a thickness of the channel equal to 2 mm and 4 mm. Three mains flow regimes were observed and three different working areas were identified: a pool boiling area, a film evaporation area and a vapor area. The major part of the cooling capacity achieved is obtained in the film evaporation area. In this part, the creation of a liquid film due to the splashing of droplets is observed. These droplets come from the breaks of the membrane of a previously formed large bubble of several centimeters in the pool boiling area, few centimeters above the free surface. Cooling capacities ranging from 0 to 503 W were measured and conditions to obtain the best cooling capacity were determined. Finally, in order to provide some first guidelines for the design of low pressure evaporators, reflexions based on dimensionless numbers are proposed.

Le contexte énergétique global impose, durablement aux industriels la poursuite des efforts en matière d’efficacité énergétique nécessitant le déploiement de nouveaux procédés innovants éco-efficaces. Une meilleure gestion de l’énergie permet l’amélioration de l’efficacité énergétique globale des procédés ainsi que la réduction des émissions de CO2. Dans ces conditions, la récupération et la valorisation de la chaleur perdue apparait comme un potentiel pour atteindre ces objectifs. L’intégration d’une pompe à chaleur à haute température permet une valorisation de pertes calorifiques en satisfaisant des besoins de chauffage à haute température (>130°C) qui apparaissent simultanément dans certains procédés (distillation, séchage…). Malheureusement, les pompes à chaleur répondant à ces besoins industriels sont indisponibles actuellement. C’est dans ce contexte que s’inscrit la présente étude qui a permis le développement et la mise en place d’une pompe à chaleur à haute température utilisant l’eau comme fluide frigorigène. Les verrous techniques et technologiques limitant la faisabilité d’une telle machine ont été levés en concevant une nouvelle architecture de PAC et en développant deux types de compresseur : un compresseur bi-vis adapté et un compresseur centrifuge bi-étagé à paliers magnétiques. La mise en place de cette PAC munie du compresseur bi-vis est présentée. Un modèle dynamique de cette pompe à chaleur est développé avec Modelica en tenant compte de la présence de gaz incondensables dans la machine. Des modèles détaillés des compresseurs sont développés en fonction de leurs caractéristiques géométriques. Une étude expérimentale de la phase de démarrage est présentée montrant le processus de purge des incondensables et l'évolution de certains paramètres de la pompe à chaleur. Ces résultats expérimentaux ont été confrontés à des simulations numériques. Plusieurs modes de fonctionnement de la machine de récupération des pertes calorifiques sont simulés numériquement et analysés énergétiquement ainsi qu’exergétiquement. Le modèle de pompe à chaleur a enfin été intégré à un modèle de colonne à distiller montrant les économies d'énergie globales et les avantages environnementaux obtenus. / Currently, improving energy efficiency becomes a main challenge for all industrial energy systems. This challenge involves an improved recovery of wasted heat generated by several industrial processes. Large energy savings and potential environmental benefits are associated with the use of industrial heat pump mainly at high temperature levels (>130°C) unavailable on the market. The development of high temperature heat pump using water vapor as working fluid is investigated. Technical problems restraining the feasibility of this industrial heat pump are surmounted by a specifically designed heat pump, the development of a new twin screw compressor and a new centrifugal compressor with magnetic bearings. A dynamic model of this heat pump is developed using Modelica and taking into account the presence of non-condensable gases in the machine. Detailed models of the compressors are developed based on their geometrical characteristics. Experimental results of the start-up phase have been presented showing the non-condensable purging process and the evolution of some parameters of the heat pump. These experimental results have been confronted to numerical simulations. Several scenarios of industrial processes for high-temperature heat recovery and heat upgrading are numerically simulated and analyzed based on energetic and exergetic studies. The heat pump model has been integrated to a distillation column showing the global energy savings and the environmental benefits of using this developed heat pump.

Forms of cavernous weathering - tafoni and honeycombs - belong to long-term investigated and discussed phenomena in geology. The reason for the difference in size between few centimetres- long honeycombs and the several-metres-long tafoni has not been yet studied. In my master thesis I compared the hydraulic properties of rocks with developed honeycombs and tafoni. The research consists of field measurements (measurement of suction pressures and capillary water absorption using Karsten tube) and laboratory measurements on tafoni and honeycomb samples (retention curve measurement, capillary water absorption, water vapour diffusion rate and saturated hydraulic conductivity). I have been studing honeycombs from various sites in the Bohemian Cretaceous Basin and tafoni from three different sites: Carbon Arkoses near Kralupy nad Vltavou, Cambrian Sandstone in Petra (Jordan) and Tunnel Spring Tuff in Crystal Peak (Utah). The measurements showed that values of suction pressure are far higher inside tafoni than inside honeycombs. This observation corresponds to different retention curves of studied rocks: steeper retention curve for honeycomb's quartz sandstone than for fine-grained arkosic sandstones to arkoses with tafoni. In the other part of my research I have compared the properties of hydrophobic...

L’évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l’intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d’image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d’eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s’avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L’une d’entre elles utilise l’information sur le courant-jet à partir de vents d’altitude de l’ébauche. Un deuxième volet s’applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L’assimilation de données conventionnelle ne permet pas d’initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d’une méthodologie basée sur l’assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d’eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L’utilisation de données de concentration d’ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d’initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause / Isolated vortices have been shown to emerge in two-dimensional and geostrophic turbulent flows. Coherent structures are apparent in three-dimensional atmospheric flows as well, and may share the property to determine the non-linear evolution and the predictability of the flow. Potential vorticity anomalies have indeed been shown to be of primary importance for cyclogenesis of mid-latitude storms. Their signature can be detected in satellite water vapour images and are known as dry intrusions. The first part of this work proceeds the tracking of dry intrusions on images. We use image processing tools based on thresholding algorithm, and develop additional filters to select relevant cells. One of this filters uses dynamical information on the jet from the background upper-level wind. We highlight the fact that conventional data assimilation does not handle coherent structures, and describe alternative procedures. We focus then on the assimilation of bogussed potential vorticity observations. This leads to a new vision of the relationship between water vapour and potential vorticity. The case study of the storms that has affected the Landes region in 2006 is then presented. We finally pinpoint ozone data as an alternative way to improve the initialization of upper-level potential vorticity

Tato práce je zaměřena na systém vodního vstřikování a způsoby zajištění dostatečného množství potřebné kapaliny pro správný chod tohoto systému. Jedním zajímavým a nezávislým řešením je využití odpadních produktů motoru, a to vodní páry produkované spalováním paliva. Pro zajištění kondenzace je nutné zchlazení výfukových plynů pod rosný bod páry, což lze zajistit opatřením výfukového potrubí chladiči. Vzniklý kondenzát je pak potřeba efektivně oddělit od proudu plynů a zachytit. Návrh takovéhoto systému vychází z reálně naměřených dat a jeho následným ověřením pomocí CFD simulace.

The theme of diploma thesis is a design optimization of air distribution in swimming-pool hall with regard to free water surface evaporation. This problem was solved according to determined criterions with the aid of CFD simulation. Experimental measurement part of the thesis deals with evaporation problems where own formula for this physical phenomenon is determined. This formula is compared with already known algorithms. Author suggests that such formula might be integrated in CFD software.

For the first time, vertical water vapour profiles were measured in the Central Arctic North of 85°N during the MOSAiC campaign (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Continuous measurements of the Raman lidar PollyXT are used to retrieve high-resolved vertical profiles of the water vapour mixing ratio (WVMR) during the polar night. The collected data are calibrated and evaluated by use of selected clear-sky profiles between 25 October 2019 and 29 February 2020. Three different calibration methods are applied using reference data from radiosonde launches or microwave radiometer (MWR) measurements, respectively. The calibration with the least error results from a linear fit between collocated radiosonde and lidar measurements and delivers a final calibration constant of 15.96 ± 0.37 g/kg for the period from 25 Oct 2019 to 29 Feb 2020. The calibrated WVMR profiles are analysed regarding the vertical distribution of water vapour in the Arctic, its impact on the downward thermal-infrared radiation (DTIR) at the surface, and its relation to the Arctic Oscillation (AO) index as a measure for the general atmospheric circulation. The Arctic atmosphere is very dry during the winter time with WVMR values below 2 g/kg. The vertical water vapour distribution is strongly related to the temperature profile. Layers with higher WVMR values are often capped by temperature inversions. Layers with higher integrated water vapour values (IWV) are located either close to the surface (coupled) or in an elevated layer (decoupled), related to local or advective processes, respectively. The impact of the vertical distributed water vapour on the clear-sky DTIR at the surface was investigated by evaluating the evolution of the air mass at the measurement location over several hours for seven clear-sky cases. The relation between the measured DTIR at the surface and the lidar IWV shows a linear correlation for each case, but with a shift in the radiation values depending on the temperature of the vertical distributed water vapour. The impact of the IWV on the DTIR is determined to be 9.33 − 15.03 W/kg from the example cases. Beside, a linear correlation is found between the temperature of the vertical distributed water vapour and the radiation temperature of the sky, which is derived from the Stefan-Boltzmann’s Law. Both results depict the high impact of the atmospheric water vapour profile on the surface energy budget during clear-sky winter conditions. The influence of the atmospheric circulation on the vertical water vapour distribution in the Arctic is investigated by use of the AO index. While very stable conditions with a weak exchange with lower latitudes are expected during the positive phase of the AO, a stronger meridional transport is related to the negative phase of the AO. The evaluation of 71 randomly selected clear-sky profiles shows differences in the amount and the vertical structure of each WVMR profile between the two phases. Higher WVMR values and layers with higher IWV are observed during the negative AO phase. Nonetheless, a high variability between dry and humid cases is seen during all phases of the AO due to synoptic events. Two main sources for water vapour in the Eastern Central Arctic are identified independent of the AO. These are cyclones on the one hand and the occurrence of a main wind direction from the seas north of Siberia namely Laptev, Kara and Barents Sea on the other hand. In summary, the thesis discusses different calibration methods for the derivation of WVMR profiles from Raman lidar measurements in its first part. In the second part, the thesis gives an overview over the vertical water vapour distribution in the Central Arctic winter and its complex relation to temperature profiles, radiation measurements at the surface and the atmospheric circulation.

Detailed investigation of the vaporization of an isolated of ethanol and 1-propanol droplet was carried out in this experimental study. The experimental set-up consists of a heated chamber with a cross quartz fibers configuration as droplet support. An alcohol droplet is located at the intersection of the cross quartz fibre with a controlled initial diameter (300-600µm). Ambient temperature is varied from 298 to 973K at atmospheric pressure. The quasi-steady theory has been used to compare and to explain all experimental results. The real impact of the water concentration on the vaporization rate of an ethanol droplet is also examined, where two 'quasi-steady' periods are observed on the d2-curves, clearly showing that the vaporization of an ethanol droplet is accompanied by the simultaneous condensation of water vapour on the droplet surface and thus the temporal evolution of the droplet squared diameter exhibits an unsteady behavior. The histories of the instantaneous vaporization rates of both 1-propanol and ethanol droplets confirm this phenomenon. The autoignition experimental study of ethanol, 1-propanol and blends of ethanol and water have been carried out in a rapid compression machine at a compressed pressure of 30bar over a temperature range of 750-860K for stoichiometric mixture of fuel and air. The ignition delay times recorded show a significant decrease with increasing temperature. 1-propanol is more reactive than ethanol, which results in shorter ignition delay times. However, water addition to ethanol increases the reactivity of the mixture and results in a shorter ignition delay times than 1-propanol

The objective of my work was to develop HDPE clay nanocomposites for packaging with superior barrier (gas and water) properties by economical processing technique. This work also represents a comparative study of thermoplastic nanocomposites for packaging based on linear low density polyethylene (LLDPE), high density polyethylene (HDPE) and Nylon12. In this study properties and processing of a series of linear low density polyethylene (LLDPE), high density polyethylene (HDPE) and Nylon 12 nanocomposites based on Na-MMT clay and two different aspect ratio grades of kaolinite clay are discussed.