Дисертації з теми "Fatigue thermique – Transfert de chaleur – Simulation par ordinateur"

Le but de ce travail a ete de developper une simulation numerique du choc thermique dans le cas d'echantillons prismatiques a section carree. Cette simulation numerique comprend une determination, par discretisation volumique, des profils de temperature lors d'un choc thermique, une determination des profils de contraintes et la determination spatio-temporelle du coefficient d'intensite de contraintes qui conduit a un critere dimensionnel de stabilite des defauts. Cette methode de simulation par discretisation volumique presente le double avantage d'etre d'utilisation simple et d'etre peu couteuse. Diverses experiences ont ete menees afin de verifier l'accord entre la simulation et les resultats experimentaux, telles que l'allure de la courbe ecart critique de temperature en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature et du positionnement de l'echantillon et la mesure de la profondeur de fissuration. L'accord satisfaisant entre les resultats experimentaux et la simulation semble prouver que la methode de calcul peut etre consideree comme fiable en ce qui concerne les chocs thermiques. Les resultats de simulation de fatigue thermique, en accord avec ceux de la simulation de choc thermique, ne permettent pourtant pas de tirer des conclusions par rapport aux resultats experimentaux. En effet, une forte dispersion des resultats experimentaux et une imprecision sur les valeurs de l'exposant de propagation et du coefficient 1na confirment le faut que seul un calcul prenant en compte les effets probabilistes de la fatigue thermique permettrait d'approfondir cette simulation

Les lignes d’arbres de transmission navale sont soumises à des chargements cycliques complexes. Afin de caractériser en fatigue ces lignes d’arbres, deux objectifs complémentaires sont achevés. Dans un premier temps, les chargements des lignes d’arbres sont caractérisés afin d’identifier des cycles de fatigue pertinents. Lors de cette étape, une méthode paramétrique originale de dimensionnement en fatigue est mise en place. Cette méthode repose sur une modélisation des chargements avec une prise en compte de leur variabilité, de la contrainte moyenne et de la non-proportionnalité. Cette méthode montre qu’il existe deux modes d’endommagement avec un mode associé au régime cyclique établi de la flexion rotative et un mode associé aux manoeuvres du navire. Dans un second temps, une méthode de caractérisation rapide est mise en place afin d’étudier le comportement des aciers des lignes d’arbres en fatigue pour un grand nombre de configurations de chargements. Un modèle permettant d’identifier le comportement en fatigue à grand nombre de cycles, à partir des mesures d’autoéchauffements, est employé. Les aciers de l’étude sont caractérisés en traction-torsion pour diverses configurations de contraintes moyennes et de non-proportionnalité du chargement. Dans ce cadre, la notion de surface d’iso-auto-échauffement est introduite. Elle permet, pour une éprouvette, de modéliser le comportement élastoplastique et dissipatif du matériau dans l’espace dédié des contraintes. Leur utilisation permet de définir un critère de fatigue multiéchelle basé sur les invariants du tenseur des contraintes. Dans l’étude, une modélisation du comportement du matériau est proposée pour les chargements de très faible amplitude (fatigue à très grand nombre de cycles VHCF) montrant une différence forte de dissipation par rapport au régime d’amplitudes plus importantes (i.e. le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles HCF)
Marine shaft lines undergo complex cyclic loadings. In order to characterize these structures in fatigue, two complementary objectives are achieved. Firstly, the marine shaft’s loads are characterized in order to identify relevant fatigue cycles. During this step, an original parametric fatigue design method is implemented. This method is based on the definition of an equivalent load considering multiaxiality, variability, non-proportionality and mean stress. This method allows to distinguish two damage modes with a mode associated with the established cyclic regime of rotary bending and a mode associated with the ship’s maneuvers. Secondly, a rapid characterization method is implemented to characterize in fatigue the marine shafts’ steels for a large number of loading configurations. The method is based on a model which enables fatigue identification behaviors from self-heating measurements. The steels of the study are characterized in tension-torsion for various configurations of mean stress and nonproportionality of the loading. In this context, the notion of iso-self-heating surfaces is introduced. It allows, for a specimen, to model the elastoplastic and dissipative behavior of the material in the dedicated stress space. Their use makes it possible to define a multiscale fatigue criterion based on the invariants of the stress tensor. In the study, a modeling of the behavior of the material is proposed for very low amplitude loads (VHCF) exhibiting a strong difference in dissipation compared to the regime of higher amplitudes (i.e. HCF domain)

L'objectif du travail présenté est de réaliser un modèle numérique permettant de déterminer le comportement thermique et le rendement d'une transmission mécanique à engrenages. La méthode utilisée est celle des réseaux thermiques. Elle consiste à diviser le système étudié en éléments supposés isothermes, à relier ces éléments par des résistances thermiques qui tiennent compte des transferts de chaleur rencontrés (conduction, convection, rayonnement) et à injecter en différents noeuds du réseau les quantités de chaleur générées par des pertes de puissance éventuelles. Les pertes prises en compte dans le modèle sont les suivantes : frottement généré par les dentures en contact, pertes dans les paliers hydrodynamiques ou à roulements, frottement aux joints d'étanchéité et dans les synchroniseurs des boîtes de vitesses, pertes liées au phénomène de barbotage. En ce qui concerne cette dernière source de chaleur, une étude particulière a été menée via l'exploitation d'un banc d'essais spécifique et des formulations originales sont proposées pour quantifier la puissance générée. L'originalité du modèle thermique proposé réside dans le fait que chaque élément d'une transmission est assimilé à une forme géométrique simple, ceci permet l'emploi de corrélations standards et rend le modèle générique. Un logiciel a été développé afin de coupler les calculs thermiques à ceux des pertes de puissance. Ce logiciel autorise la résolution de problèmes en régime permanent et dynamique. Des campagnes d'essais ont été menées sur deux types de transmission : une boîte de vitesses manuelle à six rapports et un réducteur industriel. Les résultats obtenus montrent que l'outil numérique est tout à fait prédictif du comportement thermique et des évolutions de rendement observés sur un ensemble à engrenages
The objective of the work presented here is to elaborate a numerical model which can predict the thenmal behaviour and the efficiency of power gearing transmission. The thenmal networks method has been used. This method consists in dividing the geared unit into isothenmal elements and connecting these elements by thenmal resistances which depend on the kind of heat transfer encountered (conduction, convection, radiation). Seme elements of the network represent heat sources and the heat generated is linked to power losses which occur in a gearing transmission. The following sources of power lasses are laken into account : friction due to the meshing c gear teeth, lasses in bearings, friction in shaft seals and in gearbox synchronizer sets, losses due to cil churning. As far as cil churning lasses are concerned, a specifie test rig has been used to study this dissipation source and seme original fonmulations are proposed to quantify the heat generated. The originality of the model thal has been developed lies in the nodal decomposition : each element is considered as having a basic shape. Then classical correlations are used to quantify heat transfers, and it allows to simulate the thermal behaviour of any geared unit. A computational program has been designed in order to solve simultaneously power lasses and thermal calculations. Steady-state and transient problems can be solved. Seme measurements have been carried out with Iwo different power trains transmissions : a manual six-speed gearbox and an industrial gear unit. The results of these experiments show thal the numerical model allows to predict with a good accuracy the thermal behaviour and the efficiency

Cette étude est consacrée aux modélisations analytique et numérique du phénomène de contact thermique périodique entre deux surfaces solide-solide. En particulier, nous utilisons la notion de quadripôle thermique pour résoudre le transfert conductif dans un contact plan-plan monodimensionnel périodique ainsi que dans le cas d'un macro-contact périodique avec constriction. La modélisation est effectuée par un développement en séries de Fourier des variables périodiques en temps. Cette méthode quadripolaire nous permet d'une part, de prédire le comportement thermique du contact de l'interface périodique dans des conditions quelconques et d'autre part, d'analyser l'influence de divers paramètres sur la résistance apparente dans un domaine étendu de fréquence. Les résultats sont alors compares avec ceux des autres modèles, analytiques ou numériques. L’étude bidimensionnelle montre que le modèle monodimensionnel reste valable pour les périodes longues, mais qu'il est nécessaire d'introduire la notion de temps d'établissement de la constriction thermique pour expliquer le comportement du contact pour les périodes courtes et moyennes. Nous étudions analytiquement l'établissement de la constriction dans un cas simple et son influence sur le transfert de chaleur dans le macro-contact. Des représentations simplifiées de la résistance apparente sont données pour les trois cas limites (courtes, moyennes et longues périodes). Une expérimentation monodimensionnelle est mise en place. Les résultats sont compares aux solutions des modèles précédents.

La thèse a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le LTDS et la société ESI-Software. Le but est de développer une nouvelle méthode directe destinée à la modélisation du couplage physique fort entre les problèmes magnétodynamique et thermo-metallurgique dans une simulation numérique d'un procédé de traitement thermique superficiel par induction. Habituellement, la méthode indirecte classique est utilisée pour résoudre de tels problèmes couplés. Nous avons proposé d'utiliser une nouvelle méthode directe lorsque le courant source est sinusoi͏̈dal. Pour ce faire, les problèmes non-linéaires magnétodynamique et thermo-metallurgique sont résolus ensemble dans le même élément fini et la résolution du problème magnétodynamique repose sur une formulation éléments finis de balance harmonique (ou multi-harmonique). Les contraintes et déformations mécaniques résiduelles à la fin du traitement peuvent ensuite être calculées à partir des distributions de température et de phase
This work has been done in collaboration between the LTDS and the ESI-Software company. The aim is to develop a new direct method for the modelling of the strong physical coupling between magnetodynamic and thermo-metallurgical problems in order to numerically simulate induction hardening process. Usually, the classical indirect method is used to solve such coupled problems. We have proposed to use a new direct method as far as the source current is sinusoidal. Thus, non-linear magnetodynamic and thermal problems are solved together in the same finite element and the resolution of the magnetodynamic problem rests on the harmonic balance (or multi-harmonic) finite element formulation (HBFEM). Residual mechanical stresses and strains at the end of the treatment can be therefore calculated from the temperature and phase distributions

Les joints d'etancheite a faces radiales sont des composants assurant l'etancheite des passages d'arbres tournants dans des applications techniques de hautes performances et qui exigent une grande fiabilite. Leur fonctionnement fait intervenir un ensemble complexe de plusieurs phenomenes interdependants. Le travail de recherche de cette these de doctorat a ete consacre aux deux phenomenes qui sont preponderants lorsque les faces sont lubrifiees par un film liquide ; le comportement dynamique de l'element vibrant du joint et la modelisation des effets thermohydrodynamiques. A partir d'une analyse bibliographique approfondie des etudes sur ce sujet, une modelisation originale du comportement dynamqieu du stator flottant a ete developpee. Il est montre que, sous certaines conditions, l'analyse de stabilite mise au point anterieurement pour des faces lisses peut etre adaptee au cas de faces rainurees. Dans le domaine de stabilite du regime d'entrainement dynamique, les equations du mouvement du stator a trois degres de liberte sont resolues par une methode numerique simple. Le programme realise constitue un outil d'aide a la conception et a l'optimisation des garnitures d'etancheite a faces lisses ou rainurees. Une etude parametrique d'un joint industriel typique est presentee. Elle met en evidence le role des rainures et des defauts de surface qu'elles engendrent. Une large revue bibliographique des etudes thermohydrodynamiques des paliers, butees et joints a aussi ete effectuee. Elle a montre l'opportunite de nouvelles recherches appliquees aux garnitures d'etancheite. Les equations generales du probleme sont presentees sous leur forme tridimensionnelle en regime permanent d'entrainement dynamique. Ces equations sont resolues simultanement, par des methodes numeriques propres a chacune, au cours d'un processus iteratif. Elles sont couplees par les conditions de transfert thermique sur les frontieres communes a leurs domaines. La methode a ete validee dans le cas de la seule etude analytique comparable publiee a ce jour. Les resultats obtenus par la suite montrent l'influence de la fuite et celle des differents types de conditions d'echanges aux frontieres. Ils montrent en outre que les effets des mesalignements ou des ondulations des faces ne peuvent etre negliges.

Dans ce travail, nous avons étudié le traitement thermique en continu des fluides chargés en grosses particules. Dans l'introduction, nous avons énuméré les problèmes posés par la stérilisation en continu des produits à particules dans l'optique de dimensionnement des installations traitant ce type de produits, puis les avantages et les inconvénients que présente cette technique en comparaison aux procédés conventionnels classiques (traitement en batch par autoclave). Un chapitre est consacré à l'état de l'art en matière de résolution des principaux problèmes (distribution des temps de séjour des particules et coefficient de transfert de chaleur par convection fluide-particule) en clarifiant ce qui reste à entreprendre dans ce domaine et les contraintes posées. Le deuxième chapitre décrit les moyens mis en œuvre (plate-forme expérimentale, moyen de mesure) puis les méthodes utilisées pour atteindre ces objectifs. Enfin, le dernier chapitre présente les résultats obtenus en matière de DTS des particules et de l'intégrateur temps-température (ITT) utilisé pour évaluer l'efficacité stérilisatrice du procédé et les conditions à mettre en œuvre pour assurer un bon traitement du fluide et des particules. Un logiciel de simulation numérique a été mis au point afin d'apprécier le traitement subi par les particules. Un excellent accord a été trouvé entre ces résultats numériques et ceux obtenus expérimentalement.

Un appareil de mesure de la diffusivite thermique des materiaux a haute temperature (600 - 1800 k) est etudie. Son principe est base sur la methode periodique en geometrie cylindrique. Un etalonnage sur des materiaux ceramiques (cecorite et alumine) et metalliques (acier inoxydable aisi 304 l et nickel) a ete realise. L'appareil est bien adapte a la mesure des diffusivites inferieures a 0. 1 cm#2. S#-#1 rencontrees dans les ceramiques et les alliages metalliques. En revanche, la forte diffusivite des metaux purs n'est pas mesurable avec le dispositif dans sa forme actuelle. Une etude detaillee des erreurs experimentales montre que la principale source d'incertitude est liee a l'utilisation de capteurs thermoelectriques de contact. En effet, d'une part la taille finie de ces capteurs limite la connaissance de la distance entre les points de mesure, d'autre part, l'imperfection du contact apporte une imprecision par la variation brutale de temperature creee a l'interface capteur / echantillon. Des modeles mathematiques, valides a partir des resultats experimentaux obtenus sur la cecorite et l'alumine, demontrent que ces deux effets entrainent: un ecart apparent entre la valeur de la mesure a partir de l'amortissement du signal thermique et celle issue du dephasage ; une dependance des mesures avec la frequence. Pour les echantillons metalliques, l'emploi de couples thermoelectriques intrinseques minimise l'effet du contact. Sur les echantillons isolants electriques, l'utilisation d'un gaz neutre bon conducteur de la chaleur tel l'helium est preconise. La reduction de la taille des capteurs thermoelectriques est la principale amelioration de la precision envisageable. Le principe de la mesure des conductances thermiques de contact sur un echantillon cylindrique composite, avec le meme appareil, est etabli. Des mesures sur une interface modele nickel / nickel de macrorugosite controlee montrent un accord correct avec les resultats issus d'une modelisation geometrique classique du contact. L'appareil permet la mesure des conductances inferieures a 10 w. Cm#2. K#-#1

Le présent travail concerne l’étude expérimentale et numérique des performances thermiques de réseaux de microcaloducs usinés dans du silicium. Un modèle numérique a été développé pour simuler les comportements hydrodynamique et thermique d’un réseau de microcaloducs, chargé en eau, dont la section transversale est de forme triangulaire. Cette simulation permet de déterminer la densité de flux maximale correspondant à la limite capillaire, la masse de fluide optimale, les profils de températures et les gradients de température maximaux en fonction de la géométrie. Différents réseaux de microcaloducs en silicium ont été conçus, puis réalisés (en collaboration avec le LPM et le LPCS). Le réseau de microcaloducs est constitué de deux plaquettes en silicium d’épaisseur 350 µm. La première plaquette comporte des canaux, de section triangulaire, réalisés par gravure anisotrope au KOH. La seconde plaquette, qui sert à la fermeture des canaux, comporte sur sa face externe des thermistances en silicium polycristallin. Leur assemblage est effectué par adhésion moléculaire. Pour l'étude expérimentale, deux bancs d’essais ont été réalisés : l’un sert au dégazage du fluide, au remplissage des microcaloducs et à la mesure de la charge, l’autre est utilisé pour caractériser les performances thermiques des différents réseaux de microcaloducs. Pour un réseau de microcaloducs à artère (constitué de trois plaquettes), chargé en méthanol, les profils de températures et la puissance thermique ont permis de déterminer, à l’aide d’un modèle 3D, la conductivité thermique équivalente. Par rapport à une plaquette en silicium (de même épaisseur), on obtient une amélioration de la conductivité thermique équivalente de 300 %
Thermal performance of silicon micro heat pipe (MHP) arrays have been studied experimentally and numerically in the present work. A numerical model has been developed in order to simulate the hydrodynamic and thermal behaviour of a water MHP array, whose cross sectional area is triangular. Capillary limit, optimal fluid charge and temperature profiles can be determined according to the geometry. Several silicon MHP arrays have been designed and realised (with the collaboration of LPM and LPCS). The MHP array is made of two silicon wafers of 350 µm thick. V-grooves have been micromachined in the first one using an anisotropic wet-chemical etching (KOH). On the second wafer, used to close the MHP (by fusion bonding with the first wafer), polysilicon thermistors are deposited on the external side. Two experimental set up have been realised for the experimental study. The first one permits to degass the fluid, to charge the MHP array and to measure the charge ; the other one is used to determine the thermal performances of several MHP arrays. For a MHP array made of three wafers and filled with methanol, the temperature profiles and the heat load allow to determine, using a 3D-model, the effective thermal conductivity. Comparing with a silicon wafer (with a same thickness), a noticeable increase in the effective thermal conductivity (about 300 %) is obtained

Dans l'industrie métallurgique, le refroidissement est une étape fondamentale qui permet de donner certaines qualités aux matériaux (résistance mécanique, souplesse). L'impact d'un spray est une méthode de refroidissement connue mais mal comprise, limitant aujourd'hui ses champs d'applications. Cette thèse vise à mettre en place un outil numérique apte à l'étude et à l'optimisation futur du refroidissement par spray. La littérature met en évidence la multitude des mécanismes du refroidissement, et le peu d'informations sur les liens entre ces mécanismes et les caractéristiques du spray (diamètre, vitesse et répartition spatiale des gouttes). Pour simuler le refroidissement, on propose de séparer l'étape d'écoulement du spray de celle du calcul du refroidissement de la plaque. Une corrélation sur la densité de flux de chaleur issue de la littérature permet de lier les deux étapes. Une analyse poussée du spray est réalisée grâce à plusieurs outils expérimentaux: Analyseur à Phase Doppler, caméra rapide, mesure de débit surfacique. Les éléments clefs pour caractériser puis initialiser le spray dans la simulation sont ainsi mis en évidences. La méthode d'initialisation, la configuration numérique (Euler-Lagrange, modèle RANS k-ω), ainsi que le domaine de calcul sont validés avec l'écoulement d'un spray libre. La méthode est ensuite utilisée pour simuler l'écoulement du spray en présence d'une plaque. Finalement, le refroidissement d'une plaque est simulé. On obtient la densité de flux de chaleur extraite de la plaque en fonction des caractéristiques du spray. Cette thèse soulève des questions sur des points de simulation couramment utilisés mais menant à des erreurs dans le calcul du refroidissement
In the metallurgy industry, the cooling is a fundamental stage which allows to bring certain qualities to materials (mechanical resistance, flexibility). The impact of a spray is one known process but it is not well understood, limiting its today's scopes. This thesis aims at developing a simulation procedure, in order to obtain a useful numerical tool for the study and the future optimization of the spray cooling. Literature highlights the multitude of the mechanisms of spray cooling, but also the few existing information linking these mechanisms and the characteristics of the spray (diameter, speed and space distribution of droplets). In order to simulate the spray cooling, one proposes to split this process in two stages, the spray flow and the calculation of the cooling. Based on the literature, a correlation on the density of flow of heat removed from the plat is used to link the two stages. A full spray characterization is realized thanks to several experimental tools: Phase Doppler Analyser, speed-camera, measure of surface liquid flow density. Key elements required to characterize and also to initialize the spray in the simulation, are highlighted as well. The method of initialization, the numerical configuration (Eulerian-Lagrangian simulation, RANS k-ω turbulence model), as well as the domain of calculation are validated with the simulation of a free-fall spray. The method is then used to calculate characteristics of the spray in the presence of a surface. Finally, the cooling of plate is simulated, bringing results on the heat flow density removed from the plate in accordance with characteristics of the spray. Main results concern the highlighting of major points of simulation communally used but leading to error in the cooling simulation

Les filtres céramiques sont des dispositifs prometteurs pour diminuer les émissions de particules carbonées par les moteurs Diesel et respecter les futures normes environnementales. L'analyse et la modélisation des phénomènes physiques intervenant dans leur fonctionnement est indispensable pour améliorer leurs performances et leur durabilité. Dans une première partie, l'écoulement du gaz, le transport et la capture des particules au sein d'un filtre présentant une structure poreuse multi-échelle sont étudiés. Une approche de type « milieu poreux effectif» est adoptée pour simuler l'étape de filtration à l'échelle du filtre. Le modèle s'appuie sur des équations 1D, développées pour un élément unitaire de filtre, préservant le caractère inertiel de l'écoulement. Dans une deuxième partie, le comportement thermique du filtre est étudié. Les transferts de chaleur convectif et diffusif sont pris en compte dans un modèle macroscopique à une température obtenu par la méthode de prise de moyenne volumique. Un terme source de combustion permet de considérer la réaction d'oxydation des particules collectées, intervenant dans l'étape de régénération du filtre.

La problématique abordée est celle des interactions aube-carter, ce dernier étant revêtu d’un matériau abradable, dans les turboréacteurs aéronautiques. Sous certaines conditions, ces interactions peuvent conduire à une réponse dynamique divergente des aubes. Si le comportement dynamique de la structure joue un rôle essentiel, l’usure des matériaux et les échauffements semblent nécessaires pour entretenir un mouvement vibratoire menant à la ruine des aubes. Ces travaux s’inscrivent dans ce contexte multi-physique avec comme objectif l’explication des causes de divergences des aubes en intégrant les aspects thermomécaniques induits par frottement. Le travail comporte 2 parties distinctes. D'une part, l’écriture d’un bilan d’énergie lors d’une interaction maitrisée sur un banc expérimental, couplé à une modélisation pour l'identification des flux. Ces travaux délivrent une répartition de l’énergie en fonction des mécanismes d’interaction activés. D'autre part, une modélisation numérique thermomécanique/dynamique des interactions, intégrant la complexité du problème : échelles de temps différentes entre les phénomènes dynamiques et thermomécaniques, génération et partage de flux à l’interface, modélisation du contact, effet de l’usure et conditions aux limites complexes. Plusieurs situations divergentes sont étudiées sur la base de comparaisons avec des résultats expérimentaux disponibles sur compresseur. Il est montré un rôle secondaire ou prépondérant des aspects thermomécaniques selon les conditions initiales. La compétition des phénomènes au contact (dilatations, usure, etc.) est un point clairement démontré et dont certains aspects sont ouverts aux perspectives
This thesis adresses the industrial problem of blade-tip / abradable coating interaction in aircraft engine leading to divergent dynamic response of blades. Even if it is well known that the dynamic behavior of the structure plays a key role on the divergence, wear and heating seem necessary to amplify vibratory motion leading to blade damage. In this multi-physic context the aim of this work is to provide explanations on the origins of the divergence by introducing thermomechanical phenomena. The work is divided in 2 parts. First, an energy balance at the rubbing contact is established through experimental analysis of interactions on a simplified test rig, coupled with inverse simulation models for heat flows estimation. The proposed method highlights different energy partitions between the blade and the abradable coating depending of the activation of different wear mechanisms. On the other hand, a thermomecanical strategy is developed for the simulation of blade-abradable rubbing events taking account of specific issues : different time scales between thermal and mechanical phenomena, generation and partition of heat flows at the interface, contact resolution, wear effects, thermal expansion and complex boundary conditions. Several divergent cases are investigated on the basis of comparison with experimental results available on compressor. It is shown that thermomechanical effects are sometimes overriding or conversely relegated to a more distant role, depending on the initial conditions of interaction. The competition of phenomena acting upon contact (thermal expansions, wear, etc.) is clearly demonstrated and certain aspects remain open to perspectives

L'objectif de cette étude est d’introduire un système de transfert thermique passif dont les performances seront optimisées pour réduire l’effet de l’humidité dans les matériaux de construction bio sourcés et particulièrement dans les mélanges en Bauge. La solution étudiée est les caloducs combinant le transfert thermique par changement de phase et une flexibilité d’application que ça soit pour chauffage comme dans notre cas ou pour refroidissement comme il est courant dans le domaine du refroidissement passif. Cette technologie permet la gestion thermique avec toute simplicité, sans encombrement ni consommation de l’énergie. Le caloduc est en effet un dispositif fermé généralement conçu en cuivre ayant une architecture interne permettant la circulation du fluide entre la zone chauffante (évaporateur) et la zone refroidie (condenseur). Différents prototypes expérimentaux ont été construits au laboratoire pour caractériser en premier lieu les propriétés thermiques des mélanges en bauge, étudier le transfert thermique dans différents caloducs poreux et à micro canaux et aussi pour étudier l’application des caloducs dans ces mélanges de bauge en se basant sur une méthode standardisée de caractérisation hydrique des matériaux de construction. Nombreuses études expérimentales sont introduites. L'influence du taux de chargement, type de fluide, type de structure interne, dimensions, géométrie, et aussi la puissance électrique est détaillée et analysée. En parallèle, des modèles mathématiques thermiques et hydrauliques ont été développés pour prédire les performances du caloduc poreux et à micro canaux. Une comparaison avec les résultats expérimentaux est également effectuée permettant une vérification des modèles. Aussi, une étude d’optimisation est introduite en comparant les performances des différents caloducs et en étudiant l’effet d’utilisation des MCPs côté évaporateur et condenseur. Enfin, l’application des caloducs dans les bâtiments est mise en évidence par une étude expérimentale en intégrant les caloducs dans les mélanges en bauge. L’étude est réalisée dans une chambre climatique simulant différents cycles de variation d’humidité afin d’évaluer l’effet du caloduc sur les performances hygrothermiques de ce matériau
The objective of this study is to introduce a passive heat transfer system whose performance will be optimized to reduce the effect of humidity in bio-sourced building materials and particularly in cob mixes. The studied technology is heat pipes combining heat transfer through phase change and flexibility of application whether for heating as in this study or for cooling as it is common in passive cooling application. This solution enables an effective thermal management with easiness, without compaction nor energy consumption. The heat pipe is in fact a closed device generally designed using copper with an internal wick structure allowing the circulation of the fluid between the heating zone (evaporator) and the cooled zone (condenser). Different experimental set ups were built in the laboratory to first characterize the thermal properties of cob mixes, then, to study the heat transfer in different porous and microchannel heat pipes and after to study the application of heat pipes in these cob mixes based on a standardized method for hydrothermal construction materials characterization. Many experimental studies are introduced by investigation the effect of several parameters. The influence of the fill ratio, type of working fluid, and type of internal structure, dimensions, geometry, and the effect of input heat flux are detailed and analyzed. In parallel, thermal and hydraulic mathematical models have been developed to predict the performance of the porous and microchannel heat pipe. A comparison with the experimental results is also carried out allowing a verification of the models. In addition, an optimization study is introduced by comparing the performance of different heat pipes and studying the effect of using PCMs on the evaporator and condenser side. Finally, the application of heat pipes in buildings is evaluated by investigating experimentally the integration of heat pipes in cob mixes. The study is carried out in a climatic chamber simulating different cycles of humidity variation in order to assess the effect of the heat pipe on the hydrothermal performance of this material

La présente thèse porte sur la prédiction numérique de l’impact des transferts thermique et massique sur la qualité de l’air et sur le confort thermique à l’intérieur des cavités ventilées ou non et remplies de polluant. En effet, les cavités ventilées sont généralement considérées comme étant une approximation pour la modélisation des locaux ventilés.Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi un modèle numérique basé sur la résolution des équations régissant les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. La première partie du mémoire est consacrée à quelques généralités sur la ventilation, la qualité de l’air et le confort thermique ainsi qu’à la revue bibliographique des travaux réalisés. La démarche suivie est décrite dans le chapitre 2. Celle-ci est basée sur l’approximation de Boussinesq. Le modèle RNG k-ε est utilisé pour traiter la turbulence. La discrétisation des équations est réalisée à l’aide de la méthode des volumes finis associée à l’algorithme SIMPLEC pour traiter le couplage pression-vitesse. Dans la seconde partie, nous considérons d’abord la convection thermique et la convection thermosolutale dans des cavités fermées. Le principal but visé est: a) de valider le modèle considéré en confrontant nos résultats avec ceux de la littérature et b) d’étudier l’influence du nombre de Rayleigh thermique et du rapport de flottabilité. Les résultats obtenus révèlent que le modèle adopté prédit correctement les transferts thermique et massique.Ensuite, nous appliquons cette approche au cas des cavités bidimensionnelles ventilées soumises à des gradients de température et de concentration. Les indices de qualité de l’air et d’efficacité de la ventilation sont calculés et discutés. Nous achevons ce travail en analysant l’influence de la ventilation sur la qualité de l’air intérieur dans une pièce tridimensionnelle en régime transitoire. Cette analyse concerne différents scénarios de ventilation mécanique simple flux en vue de trouver la meilleure configuration en termes d’efficacité et de qualité de l’air intérieur
This thesis deals with the numerical prediction of heat and mass transfer impact on the air quality and thermal comfort within either ventilated or not cavities filled with pollutants. Indeed, ventilated areas are first modeled to be as ventilated cavities in a first approximation.To carry out this study, we adopt a numerical model based on solving equations governing momentum, heat and mass transfer. The first part of this thesis is dedicated to some generalities on ventilation, air quality and thermal comfort and the bibliographic review of previous works. The adopted approach is described in Chapter 2. It is based on the Boussinesq approximation. The RNG k-ε model is used to handle turbulence. The finite-volume method (FVM) is used to discretize of the set of equations, and the pressure-velocity coupling is achieved via the SIMPLEC algorithm. In the second part, we consider the thermal convection and thermosolutal convection in closed cavities. The main aim is a) to validate the considered model by comparing our results with those of literature, and b) to investigate influence of the thermal Rayleigh number and the buoyancy ratio. Our findings indicate that the model accurately predicts heat and mass transfer.Then, we apply this approach to the case of two-dimensional ventilated cavities subjected to temperature and concentration gradients. The indices of air quality and ventilation efficiency are calculated and discussed. We end this work by analyzing the influence of ventilation on the quality of indoor air in a three-dimensional room in transient regime. This investigation covers different scenarios from the simple flow mechanical ventilation which aims to find the best configuration in terms of efficiency and quality of indoor air

Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (microthermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0×1010 ≤ RaH ≤ 1,2×1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaitre les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,21011.

La fabrication de pièces automobiles en aluminium des formes complexes telles que les culasses de moteur par le procédé de fonderie est effectuée par l'insertion de noyaux en sable durci par des résines (liants) organiques dans un moule métallique et la coulée d'un métal en fusion dans ce moule. Sous l'effet de la température élevée du métal, les résines organiques se décomposent et produisent des dégagements gazeux qui altèrent la qualité des pièces à fabriquer. Jusque tout récemment, la maîtrise des dégagements gazeux survenant pendant le procédé du moulage était basée sur des essais expérimentaux. L'objet du présent travail est d'étudier les dégagements gazeux par simulation numérique. Pour ce faire, nous avons proposé plusieurs modèles numériques. Nous avons introduit un modèle cinétique pour la décomposition thermique des résines organiques. Nous avons développé un modèle général d'écoulements multiphasiques en milieux poreux en utilisant la méthode de prise de moyenne volumique. Quatre modèles de dégagements gazeux, représentant l'écoulement et le transport de gaz dans le noyau sous différents scénarios, sont donnés à partir du modèle général. Des modèles sont également développés pour décrire le couplage de transferts thermiques dans le moule et la pièce à fabriquer avec les dégagements gazeux dans le noyau. L'implémentation des différents modèles dans le logiciel libre OpenFOAM a permis d'obtenir un outil de simulation capable de simuler les dégagements gazeux sous différents scénarios et d'étudier l'impact de plusieurs facteurs tels que le type des résines, la forme de noyau, la perméabilité de sable sur l'évolution de la pression du gaz dans le noyau
The manufacture of automotive aluminum parts with complex shapes such as cylinder heads of the engine by the casting process is carried out by the insertion of cores made with sand hardened using organic resins (binders) in a metal mold and pouring of molten metal in this mold. As a result of the high temperature of poured metal, organic resins undergo thermal decomposition (pyrolysis) and produce gases which impair the quality of the parts to be manufactured. Until recently, the study of gas emissions occurring during the casting process was based on experimental tests. The purpose of this work is to study the gas emissions by numerical simulation. To do this, we proposed several numerical models. We introduced a kinetic model for the thermal decomposition of organic resins. We have developed a general model of multiphase flow in porous media using the method of volume averaging. Four models of gas emissions representing flow and transport of gas in the core under different scenarios are given from the general model. Models are also developed to describe the coupling of the heat transfer in the mold and the casting with gas emissions in the sand core. The implementation of the various models in the free software OpenFOAM provides a simulation tool that allows to simulate gas emissions under different scenarios and to study the impact of several factors such as the type of resins, core shape, the permeability of the sand on the evolution of the pressure of gas in the core

Une modélisation thermique d'un moteur asynchrone fermé est effectuée dans la présente étude à l'aide d'un logiciel de calcul en éléments finis appelé Systus. Le modèle conçu en 3D représente une configuration assez complexe du moteur. Le coefficient d'échange dans les enceintes du moteur est un paramètre non accessible comme il est reconnu dans la littérature scientifique. De ce fait, un modèle de mélange parfait de l'écoulement dans les enceintes est avancé afin d'identifier le coefficient d'échange. Ce traitement est original et efficace. Grâce à la performance du logiciel Systus, les conductivités effectives du bobinage sont déduites par voie numérique, et celles du paquet de tôles par confrontation entre l'échauffement simulé et mesuré. Dans un but de généraliser la modélisation, nous avons réalisé un outil informatique d'identification qui est constitué par un programme d'optimisation non linéaire Rosenbrock et un modèle établi sous Systus. Une procédure automatique et paramétrique de simulation en champ de températures est fournie afin de rendre l'utilisation plus facile pour les concepteurs

Le processus d’évaporation du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) dans les cuves de méthanier est essentiellement lié aux infiltrations thermiques à travers les parois de l’isolation et également aux ballottements du liquide dans la cuve (sloshing). La plupart des modèles développés jusque-là donnent des prédictions en supposant un taux d’évaporation constant ou concept du BOR Design. Étant donné que le taux d’évaporation réel dépend de beaucoup plus de paramètres physiques car le GNL est un mélange multi-espèces constitué essentiellement de méthane, stocké à sa température d’ébullition d’environ -161 °C à pression atmosphérique. Un modèle 0D dynamique permettant de prédire les transferts thermiques et l’évolution des propriétés thermodynamiques a été développé. Le modèle est utilisé pour étudier la variation de la quantité, de la composition et des propriétés thermodynamiques du GNL et du BOG (Boil-Off Gas) au cours du temps en navigation réelle. Ce concept est appelé BOR opérationnel. Le BOR Design est utilisé dans l’industrie pour mesurer la performance énergétique d’un navire transportant du GNL. Elle est indicative et exprime la capacité de l’isolation à laisser entrer la chaleur dans la cuve. Contrairement au BOR Design, le Boil-Off Rate (BOR) opérationnel est un concept nouveau qui permet de prédire le comportement réel d’un navire transportant du GNL par la modélisation des phénomènes physiques complexes prenant en compte les aspects thermiques, thermodynamiques, changements de phase et sloshing connaissant son profil opérationnel. Les corrélations menées dans le modèle développé ont permis d’avoir des résultats avec des erreurs relatives comprises entre 2 % et 5 % entre l’observation et la simulation sur l’évaporation naturelle
The evaporation process of Liquefied Natural Gas (LNG) in LNG vessel tanks is closely related to heat infiltration through the walls of the insulation and also to the sloshing of the liquid in the tank. Most of the models developed give predictions assuming a constant evaporation rate or BOR Design. Real evaporation depends on many more physical parameters because LNG is a multi-component mixture consisted essentially of methane, stored at its boiling point of about -161 °C at atmospheric pressure. A detailed zero-dimensional (0D) dynamic tool that enables one to evaluate the thermal transfers and thermodynamic properties in LNG carrier tanks has been developed. The model is used to investigate the variation of the LNG and BOG quantity, composition and thermodynamic properties during typical voyage profiles of a case study LNG carrier or Operational BOR concept. The principle of the operational Boil-Off Rate (Operational BOR in this paper) is different from the design BOR. The design BOR is a benchmark of the thermal performance of the insulation under standard environmental conditions in a stationary configuration, translated into daily evaporation rate for pure methane. Conversely, the Operational BOR which is an unsteady calculation of the thermal and thermodynamic state of LNG, is designed to measure the amount of boil-off gas produced during the navigation taking into account the actual environmental conditions. A correlations studies carried out in the model gave results with relative errors between 2% and 5% of natural BOG between observation and simulation

L’évolution structurelle des bâtiments résidentiels du fait des réglementations thermiques, environnementales ainsi que du déploiement du Règlement des Produits de la Construction génère des enjeux majeurs pour les fabricants de conduit de fumée, notamment en ce qui concerne la sécurité des habitants en cas d’incendie. Deux scenarii de résistance au feu sont considérés par la règlementation européenne : celui associé au développement du feu dans la pièce où se situe le conduit et celui-ci relatif au développement du feu dans le conduit lui-même, par l’inflammation de dépôts. Dans les deux cas, le conduit ne doit pas être vecteur de propagation du feu aux pièces et aux matériaux combustibles adjacents. Dans ce contexte, la présente étude vise à caractériser les principaux transferts thermiques mis en jeu au cours des deux scenarii et de mieux comprendre la cinétique de formation, de décomposition, d’inflammation et de combustion des dépôts au sein des conduits. Pour ce faire, une démarche expérimentale et numérique a été adoptée. La partie expérimentale permet de déterminer les caractéristiques chimiques (analyses élémentaire et chimique) et thermo-physiques (densité, conductivité, effusivité et capacité thermique, porosité, pouvoir calorifique) de 24 résidus provenant d’installations réelles ou créés en laboratoire dans des conditions de combustion maîtrisées. Ces résidus sont par la suite étudiés en analyseur thermogravimétrique et au Cône Calorimètre afin de déterminer les étapes de décomposition thermique, ainsi que les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité, en inflammation pilotée et en auto-inflammation. Une base de données conséquente de l’ensemble des propriétés est alors générée. Un four de résistance au feu (selon la norme EN 1366-13) a permis l’étude de la participation du conduit à la propagation du feu d’une pièce à une autre, à travers la mesure de champs de température, notamment au-dessus du plafond. Les essais dans ce dispositif permettent l’acquisition de données essentielles à la définition des conditions initiales et aux limites nécessaires au développement et à la validation d’un modèle numérique développé sous Fluent. Ce modèle décrit les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement. Il permet d’estimer le niveau de température sur la paroi extérieure du conduit de fumée au-dessus du four, requis lors des essais de déclaration de performance EI selon la norme EN 1366-13 et ce, quelle que soit la configuration du conduit (diamètre, nature…). Les résultats obtenus répondent au besoin de Poujoulat, dont l’enjeu est de disposer d’un outil expérimental et numérique de développement de conduits résistant au feu et d’une base de données relative aux dépôts afin de préconiser des conseils d’utilisation aux habitants
The structural evolution of residential buildings due to thermal, environmental regulations and roll out of the Construction Products Regulation generate major challenge for chimney manufacturers, in particular with regard to the safety of residents during a fire. Two fire resistance scenarios are eloquent in European Regulations: the one associated with the development of fire in the room where the chimney is located and the last reported on the development of fire in the chimney itself, by ignition of the deposits. In both cases, the chimney must not be a vector for propagating fire to adjacent rooms and combustible materials. In this context, the present study aims to characterize the main thermal transfers involved in the two scenarios and to better understand the kinetics of formation, decomposition, ignition and combustion of the deposits within the chimney. To do this, an experimental and numerical approach was adopted. The experimental part allows to determine the chemical characteristics (elemental and chemical analyzes) and thermo-physical characteristics (density, conductivity, effusivity and thermal capacity, porosity, calorific value) of 24 residues from real installations or created in laboratory under representative conditions of combustion. These residues are then studied in thermogravimetric analyzers (TGA) and Cone Calorimeters in order to determine the thermal decomposition steps as well as the flammability and combustibility properties, in cases of piloted and auto-ignition. A consequent database of the set of properties has then been generated. A fire-resistant furnace (according to EN 1366-13) allowed the study of the chimney participation in the propagation of fire from one room to another, through the measurement of temperature fields, above the ceiling. The tests allow the acquisition of data essential to the definition of the initial conditions and the limits necessary for the development and the validation of a numerical model developed under Fluent. This model describes heat transfer by conduction, convection and radiation. It makes possible to estimate the temperature level on the outer wall of the chimney above the furnace, which is required in the EI performance declaration tests according to EN 1366-13, regardless of the configuration of the chimney (diameter, materials...). The results obtained correspond to the need for Poujoulat, whose challenge is to have an experimental and numerical tool for the development of fire-resistant chimney and a database relating to deposits in order to advise the habitants

Le contexte énergétique international impose de nouvelles orientations au secteur du bâtiment neuf ou en rénovation. Toute nouvelle solution doit être techniquement efficace et respectueuse pour l’environnement. Il s'agit dans ce travail de thèse de réaliser une étude numérique et expérimentale de matériaux de construction biosourcés liés au contexte transfrontalier Lorrain (France-Belgique- Luxembourg). En effet, ce travail intègre une partie du projet européen « Ecotransfaire » mené pour le développement d'une filière durable propre aux éco-matériaux. La sélection des matériaux selon une liste de critères à la fois scientifiques, géographiques et environnementaux a permis de répondre à notre problématique en s'orientant vers l'intégration des matériaux biosourcés pour leurs aspects favorables à l'environnement et à l’efficacité énergétique du bâtiment. Intégrés au bâtiment, ces matériaux sont sujets à plusieurs phénomènes de transfert de chaleur et de masse. Dans un premier temps et pour mieux appréhender ces phénomènes, un modèle de transfert couplé de chaleur, d'air, d'humidité (HAM transfers) est utilisé pour simuler le comportement hygrothermique d’un matériau en bois massif à structure supposée homogène. Ce modèle, mis en œuvre et résolu par la méthode des éléments finis, a été validé par des résultats analytiques retenus dans la littérature. L'étude de sensibilité du modèle au couplage, aux dimensions dans l'espace, aux conditions aux limites et aux variabilités des paramètres d'entrée est également présentée. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans la prise en considération de l'aspect fortement hétérogène de certains matériaux. Ainsi, dans ce travail, nous proposons une approche de caractérisation d'un composite lignocellulosique hétérogène de structure poreuse. En effet ce matériau est composé de deux constituants bien connus dans le domaine de l’industrie de construction: Le bois et le ciment. Le bois est incorporé sous forme de granulats avec des formes et des tailles irrégulières et le ciment est utilisé comme un liant. Le travail réalisé permet de remonter aux propriétés intrinsèques équivalentes de ce matériau (conductivité thermique et perméabilité à la vapeur) à l’aide des techniques de micro-tomographie. La méthodologie suivie consiste à la détermination de la structure d'échantillon par une prise d'images à l'échelle microscopique. Une fois la structure de l’échantillon générée, une reconstruction de la représentation bidimensionnelle précède la génération de la structure tridimensionnelle à l'aide d’un outil numérique qui permet de déterminer les propriétés équivalentes des domaines reconstruits en 3D. La perméabilité et la conductivité thermique équivalentes sont les deux propriétés évaluées dans cette configuration. Ces deux propriétés dépendent fortement de la porosité et de la distribution des pores dans la phase continue (la phase solide). De plus la composition de ce matériau et les fractions volumiques de chacun de ses constituants influent sur la formation de sa microstructure et par conséquent sur ses propriétés de transferts thermiques et hydriques. L'ensemble des connaissances développées dans ce travail permet une piste sérieuse pour l'élaboration d'un éco-matériau à propriétés contrôlées pour des usages spécifiques dans la construction et la rénovation
International energy context requires a new orientation to the building sector as in construction or in renovation. Any new solution must be technically efficient and environmentally acceptable. In this thesis, the object is to achieve a numerical and experimental analysis of a building biobased materials. Some of these materials are included from the study of a transborder project to the Lorraine region (France, Belgium and Luxembourg). Indeed an Ecotransfaire project was included in this work. This project has been oriented to the development of a sustainable eco materials chain. A process of analysis has been established in order to select the materials candidates on the basis of scientific, geographical and environmental criteria. The answers are moving towards the integration of bio-based materials. These materials are subject of several heat and mass transfers phenomena. So understanding these mechanisms within a building material has been achieved firstly. This resulted on a coupled model of heat transfer, air, moisture experienced by the HAM model. This model is applied to a wooden building material whose its structure is assumed homogeneous. Then, this model was implemented and solved by the finite element method. Its numerical solution is validated by analytical results available in the literature. The study of sensitivity of the model coupling, dimensions in space, the boundary conditions and the variability of input parameters is also presented. One of the difficulties of using this model is the case of heterogeneous materials. Thus, in this work, we propose an approach of characterization of a heterogeneous lignocellulosic composite material with a porous structure. In fact, this material is composed of two components: Wood and cement. The wood is presented by a shapes aggregates with irregulars sizes and the cement is considered as the binder in the composition. The object was to predict its equivalent intrinsic properties (thermal conductivity and vapor permeability) by using the micro-tomography techniques.The methodology consists to determine the structure of the sample by taking images at the microscopic scale. Once the structure of the sample is generated, we will conduct from a reconstruction of the two-dimensional representation to a three dimensional structure by using a numerical tool which determines the equivalent properties of the 3D reconstructed domain. The permeability as well as the equivalent thermal conductivity are the two properties evaluated in this configuration. These two properties are strongly depend to the porosity and to pore distribution in the continuous phase (the solid one). Moreover the composition of the material and the volume fractions of each components influence the formation of microstructure and consequently the thermal and hydric transfers

Les travaux de cette thèse concernent l’étude des phénomènes de diffusion thermique en vue de disposer de modèles de connaissances (approche boîte blanche) pour l’analyse, la synthèse fréquentielle et la validation temporelle de commandes robustes. La Partie 1 composée du chapitre 1 se focalise sur les définitions et les interprétations de l’opérateur intégro-différentiel non entier. La problématique de la simulation, dans le domaine temporel, des SDNE est précisée. La Partie 2 intitulée "Etude analytique" regroupe deux chapitres dont l’objectif est de faire une analyse fine des comportements d’ordre non entier, d’abord dans un milieu semi-infini (chapitre 2), puis dans un milieu fini (chapitre 3). La Partie 3, intitulée "Simulation numérique des réponses temporelles" regroupant deux chapitres (4 et 5), a pour finalité la mise en oeuvre de la partie « Procédé thermique » (modèle de validation d’un milieu fini) d’un simulateur des réponses temporelles d’une boucle de régulation thermique
The work of this thesis concerns the study of the thermal diffusion phenomena to have a model (white box approach) for the analysis, the frequency synthesis and the time validation of robust commands. The Part 1 composed of chapter 1 focuses on the definitions and the interpretations of the integro-differential non-integer operator. The simulation problem in the time domain of the fractional differential systems is specified. Part 2 entitled "Analytical Study" includes two chapters whose objective is to make a detailed analysis of the fractional order behavior, first in a semi-infinite medium (chapter 2), then in a finite medium (chapter 3). Part 3, entitled "Numerical simulation of time responses" combining two chapters (4 and 5), aims the implementation of the "thermal process" plant (model validation of a finite medium) of a simulator of the thermal control loop time responses

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’examen du rôle du rayonnement thermique dans le processus de propagation des flammes issues de la combustion des particules d’aluminium dans l’air. Le sujet étant complexe et d’un intérêt industriel, il nécessite de prendre en compte le couplage de nombreux phénomènes physico-chimiques afin de prédire finement les conséquences des explosions de poussières. Une analyse bibliographique approfondie est proposée, concernant les mécanismes d’inflammation et de combustion des particules d’aluminium et aussi concernant les connaissances relatives à la propagation des flammes de poussières. La question spécifique de la nature des échanges thermiques et de l’influence du rayonnement thermique est étudiée. La revue bibliographique souligne les approximations et les hypothèses simplificatrices utilisées dans la littérature permettant donc de définir les pistes d’améliorations. Compte tenu des limitations importantes concernant la physique de ces flammes, un outil de simulation de physique numérique nommé « RADIAN », proche de la simulation numérique directe, a été développé proposant un couplage fin entre les différents modes d’échanges thermiques et la combustion pour modéliser la propagation de la flamme dans un nuage de poussières. La méthode des éléments discrets (MED) est utilisée pour modéliser numériquement les échanges radiatifs entre les particules et les échanges conductifs entre gaz et particules. La méthode des différences finies est utilisée pour modéliser numériquement la conduction thermique dans la phase gazeuse et la combustion. Un modèle radiatif est proposé se basant sur la théorie de Mie sur les interactions rayonnement-particules. Les résultats des simulations sont comparés avec des solutions analytiques et des données expérimentales de la littérature. Mais en plus, une étude expérimentale est aussi conduite afin de mesurer la distribution du flux radiatif devant la flamme et la vitesse de combustion laminaire pour des flammes Méthane-Sic, Méthane-Alumine et Al-air. Un bon accord entre les simulations et les expériences est démontré. La loi de Beer-Lambert relative au transfert radiatif devant le front de flamme s’avère inapplicable et une nouvelle solution analytique est proposée. La présence de particules absorbantes du rayonnement promeut la propagation de la flamme. En particulier, il a été montré expérimentalement et confirmé numériquement que les mélanges riches d’AL-air sont susceptibles d’accélérer rapidement
In this thesis, the role of thermal radiation in aluminum-air flames propagation is studied. The subject being complex and of industrial interest, it requires the coupling of many physiochemical phenomena to accurately predict the consequences of dust explosions. A thorough literature review is proposed about the ignition and the combustion of aluminum particles and about the available theoretical models of dust flames propagation. The specific question of the nature of thermal exchanges and the influence of thermal radiation is studied. The bibliographic review underlines the simplifying assumptions and hypotheses used in the literature making possible the definition of improvement areas. Because of the limited amount of knowledge available to address these questions, a numerical tool “RADIAN” is developed enabling an accurate coupling between the different modes of heat exchange and combustion. The Discrete Element Method (DEM) is used to numerically model the radiative exchanges between particles and the gas-particle thermal conduction. The Finite Difference method is used to numerically model the thermal conduction through the gas phase and combustion. A radiative model based on Mie theory for radiation-particles interactions is incorporated. The results of the simulations are compared with available analytical solutions and experimental data. An original experimental study is also conducted to measure the distribution of irradiance ahead of the flame front and the laminar burning velocity for methane-air-Sic, methane-air-alumina and Al-air flames. A good agreement between numerical simulations and experiments is demonstrated. The Beer-Lambert’s law for radiative transfer in front of the flame front is found to be inapplicable and a new analytical solution is proposed. The presence of absorbing particles may promote the flame propagation. In particular, it is shown experimentally and confirmed theoretically/numerically that Al-air rich mixtures are likely to rapidly accelerate

En plus des aspects électrique, magnétique, vibro-acoustique et mécanique, les considérations thermiques doivent être prises en compte lors des phases de conception et d’optimisation des machines électriques. Ce mémoire se porte sur l’analyse et la simulation du comportement thermique des machines électriques Totalement Fermées et Non Ventilées (TFNV) et plus particulièrement sur le cas de la machine Synchro-réluctante (Synchrel), utilisée comme actionneur d’embrayage. Un modèle thermique détaillé (MTD), décrivant le comportement thermique de la machine Synchrel est conçu. Ce MTD proposé est construit grâce à une combinaison de la méthode à Constantes Localisées (CL) et d’une technique numérique de type Mécanique des Fluides Numériques (MFN). La première méthode est dédiée à la modélisation des transferts conductifs et radiatifs. La seconde permet de modéliser le mécanisme de refroidissement par convection naturelle autour de la machine Synchrel. Compte-tenu de l’importance du mode de refroidissement sur l’évolution des températures critiques, l’approche MFN peut apporter plus de précision. Par contre, elle nécessite des temps de calcul importants ce qui freine son utilisation. Afin de surmonter cette problématique, les résultats numériques obtenus pour des points de fonctionnement particuliers sont utilisés afin de définir des relations de corrélation analytiques. Cette analyse numérique est accompagnée d’une démarche expérimentale afin d’élaborer les corrélations expérimentales correspondantes. L’étude montre que les solutions numériques peuvent converger vers des solutions plus précises si l’on tient compte des données d’incertitudes introduites par cette approche. La deuxième problématique traitée est la détermination des Résistances Thermiques de Contact (RTCs) des machines électriques. Elles constituent des paramètres clefs dans la définition du MTD complet. La démarche de détermination des RTCs est basée sur deux approches d’identification paramétrique. La première est basée sur des observations expérimentales du comportement thermique de la machine. La seconde est basée sur une approche mathématique de réduction de modèle. Les valeurs déterminées sont cohérentes avec la littérature, bien que la machine Synchrel diffère en topologie, taille et puissance. En utilisant la corrélation d’origine numérique du phénomène de convection externe, le MTD complet est alors utilisé afin d’évaluer la variation de température due à l’erreur introduite par la MFN. En utilisant la corrélation expérimentale, le MTD complet est validé. Les approches d’identification paramétrique conduisent à la construction de deux modèles thermiques de second ordre de la machine. Ces modèles permettent la surveillance du comportement thermique du bobinage et du carter. Ces deux modèles simplifiés font montre d’une prédictibilité satisfaisante au regard de leur simplicité
In addition to electrical, magnetic, vibro-acoustic and mechanical aspects, thermal considerations must be taken into account during the design and optimization of electrical machines. This study focuses on the analysis and the simulation of the thermal behavior of Totally Enclosed Non Ventilated (TENV) electric machines, specifically a Synchro-reluctant motor (Synchrel) in the context of an automotive application : a clutch actuator. A detailed thermal model (MTD) describing the thermal behavior of the Synchrel machine is designed. This proposed MTD is based on a combination of the Lumped Parameter Thermal Network method (LPTN) and the Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The first method is dedicated to model the conductive and radiative heat transfers. CFD techniques are dedicated to model the cooling mechanism based on the natural convection around the Synchrel machine. Since the critical temperature is very sensitive to the cooling mode, the CFD approach is used in this study to provide more accurate results. On the other hand, it requires considerable computing time, which prevents its use in design studies based on optimization methods. In order to overcome this problem, only some numerical results obtained for particular operating points are used to define an analytical correlation based on the numerical calculation relations. This numerical analysis goes with an experimental approach in order to elaborate the corresponding experimental correlations. This study shows that numerical solutions can present a good accuracy, if uncertainty data introduced by this approach are taken into account. The second research problem addressed in this study is the determination of the Contact Thermal Resistances (RTCs), which are key parameters in the definition of the MTD. The determination procedure of the RTCs is based on two parametric identification approaches. The first one is experimental and based on some observations of the thermal behavior of the machine. The second one is based on a mathematical model reduction approach. The determined values are consistent with results from literature, although the Synchrel machine differs in topology, size and power. Using the numerical correlations, the MTD is used to evaluate the temperature deviation due to error terms introduced by the CFD approach. Then, using these experimental correlations, the MTD’s quality can be checked and approved. Parametric identification approaches lead to the construction of two secondorder thermal models of the machine. These models allow monitoring the thermal behavior of the winding and the casing. Both simplified models show satisfactory predictability with respect to their great simplicity