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With the development of offshore energies, producers are confronted with the thermal limiting point that the cable undergoes in a J-tube. This vertical conduit, accompanying the electrical connection from the bottom of the sea to the heights of wind or oil platforms, has the role of ensuring its mechanical protection against the environment (waves, winds). However, in the emerged section, the tube encloses the cable with air, causing a rise in temperature. In order to limit this overheating, the cable is oversized, resulting in an increase in the cross-section of the copper cores, and this for the entire offshore electrical network. The present thesis aims to provide an understanding of thermal phenomena, to deliver a method of cable rating, and to propose potential technical solutions. A numerical model was set up based on the thermal network. In order to validate this model, it was compared with the literature and temperature measurements carried out over a full year on a platform that is currently active. Moreover, in order to take into account 2D phenomena such as the temperature stratification of the air in the tube, an experimental setup resembling a J-tube was designed and constructed in the laboratory. Correlations of the natural convection have been drawn and numerical simulations have been performed using free software developed by EDF. The model was then improved, now capable of estimating local temperatures, and showing a thermal limiting point at 80% of height. A sensitivity analysis by Sobol indices was performed, and improvement solutions were then proposed thanks to this simple model.; Avec le développement des énergies offshore, les producteurs se heurtent à la contrainte thermique que subit le câble dans un Jtube. Ce conduit vertical, accompagnant la liaison électrique du fond de la mer vers les hauteurs des plateformes éoliennes ou pétrolières, a pour rôle d’assurer sa protection mécanique contre l’environnement (vagues, vents). Or, dans la section émergée, le tube enferme le câble avec de l’air, provoquant une montée en température de celui-ci. Afin de limiter cette surchauffe, le câble est surdimensionné, occasionnant ainsi une augmentation de la section des âmes en cuivre, et ce pour l’ensemble du réseau électrique en mer. Les travaux de cette thèse, ont pour but d’apporter une compréhension des phénomènes thermiques, de fournir une méthode de dimensionnement du câble, ainsi que de proposer de potentielles solutions techniques. Pour ce faire, un modèle numérique a été mis en place basé sur la méthode nodale. Afin d’en vérifier la validité, le modèle a été comparé d’une part avec la littérature, puis d’autre part avec des mesures de température effectuées durant une année complète sur une plateforme aujourd’hui en activité. De plus, dans le but de prendre en compte les phénomènes 2D comme la stratification de la température de l’air dans le tube, une maquette expérimentale reprenant par similitude un J-tube a été montée en laboratoire. Des corrélations de la convection naturelle en ont été tirées et des simulations numériques ont été réalisées à l’aide de logiciels libres développés par EDF. Le modèle a été alors amélioré, désormais capable d’estimer localement les températures, montrant notamment que les contraintes thermiques se situent à 80 % de la hauteur. Une analyse de sensibilité par indices de Sobol a été réalisée, et des pistes d’amélioration ont alors été proposées grâce à ce modèle simple.

This work concerns the influence of natural convection during solid-liquid phase change. The geometrical configuration considered throughout this study was chosen to correspond to the crucible of the 'Afrodite' benchmark experiment. Various numerical models (3D, 2D and 2D1/2) have been proposed to study cases of natural convection, pure materials's solid-liquid phase change and solidification of metallic alloys involving segregation phenomena. The classical 2D models, which do not take into account the viscous dissipation induced by the side walls of the crucible, are shown to be unable to predict reliable results. The proposed 2D1/2 models are obtained by averaging momentum, energy and heat conservation equations along the short transverse direction, assuming adjustable transverse velocity profiles depending on a parameter δ. A validity domain where these models are applicable is rigorously defined in terms of ranges of variation of the control parameters. An empirical expression is also proposed for the optimal δ values, for which the 2D1/2 models can accurately replace the 3D models for both natural convection problems (flow intensity and temperature fields) and pure materials solid-liquid phase change cases (form and evolution of the liquid solid-liquid front). The multi-domain approach, used for pure materials solid-liquid phase change cases, and the enthalpy approach coupled with a segregation model, used for binary metallic alloys solidification cases, are detailed. A comparison between the numerical results, obtained with the 2D1/2 model, and the experimental results, obtained with the 'Afrodite' benchmark, for the solidification of both pure tin and tin-lead ingots, is carried out. Special care has been devoted to the definition of the boundary conditions that are representative of the experiments. A good agreement is finally found between the numerical and experimental results.; L'influence de la convection naturelle lors du changement de phase solide-liquide est traitée dans ce travail de thèse. La configuration géométrique considérée tout au long de cette étude à été choisie de manière à correspondre au creuset du montage expérimental de référence 'Afrodite'. Différents modèles numériques (3D,2D et 2D1/2) ont été proposés pour traiter des cas de convection naturelle, de changement de phase solide-liquide de corps pur et de solidification avec ségrégation d'alliages métalliques. L'incapacité des modèles 2D classiques, qui ne prennent pas en considération la dissipation visqueuse induite par les parois latérales du creuset, à prédire des résultats fiables est mis en évidence. Les modèles 2D1/2 sont obtenus en moyennant les équations de conservation de la quantité de mouvement, de l'énergie et de la chaleur sur la direction transverse x_3. Lors de cette moyennation, des profils de vitesse transverse ajustables via un paramètre ‘delta’ sont supposés. Un domaine de validité, consistant en une gamme de variation des paramètres de contrôle, où ces modèles sont applicables est rigoureusement défini. Les valeurs optimales de ‘delta’, pour lesquelles les modèles 2D1/2 peuvent se substituer aux modèles 3D à la fois pour les cas de convection naturelle (intensité de l'écoulement et champs de température) et pour les cas de changement de phase solide liquide de corps purs (forme et évolution du front solide liquide), sont données sous forme d'une relation empirique. L'approche multi-domaines adoptée pour le cas de changement de phase solide-liquide de corps purs et l'approche enthalpique couplée à un modèle de ségrégation utilisée pour le cas de la solidification d'alliages métalliques binaires sont détaillées. Des comparaisons entre les résultats 2D1/2 et les résultats expérimentaux obtenus avec l'installation 'Afrodyte' lors de la formation de lingots d'étain pur et d'alliage étain-plomb sont effectuées. Une attention particulière a été consacrée à la définition de conditions aux limites représentatives des expériences. Un bon accord est trouvé entre les résultats numériques et expérimentaux.

In an industrial process where steam is employed as a heat carrier, the integration of a steam storage solution allows to make the production of steam independent of its usage. Steam storage technologies can be used to decrease the energy consumption of the process, or to valorize waste heat from steam flows. Steam storage is also crucial for thermal solar power plants with direct steam generation. This work presents a model of a shell-and-tube steam storage system using Phase Change Material (PCM). These systems store the thermal energy of steam through the latent heat of the solid-liquid phase change transition of a material called PCM. The heat transfers in a storage module are often influenced by the natural convection flow of the liquid PCM during fusion and solidification. Predicting the thermal performances of a module can only be done by simulating this flow with a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model with a fine mesh, whose computational times are too high for engineering needs. The goal of this work is to develop a model for the design and the performance prediction of a storage module, which takes into account the fine physical phenomena while having reasonable computational times. A multi-scale modelling approach is adopted: both a fine CFD model of the PCM and a system model of a storage module with a coarser mesh are employed.The CFD model is based on the enthalpy-porosity approach, which allows 3D simulation of solid-liquid phase change, and takes into account the movements of the liquid PCM. The sensitivity of the model to several parameters which characterize the phase change is studied, on two case studies where the natural convection flows has different amplitudes. The crossed influences of the parameters are identified. The comparison to experimental results allows to emit good practices for the use of the model. The values of the latent heat and of the temperature interval where the phase change takes place appear to be fundamental for both cases; this shows that the precision of the PCM characterization is very important for the numerical simulation of solid-liquid phase change. The mushy zone constant, which governs the damping of the liquid flow in the vicinity of the fusion or solidification front, has a different effect on the results and a different optimal value depending on the case study. Therefore, it is recommended to fit the value of this constant on experimental data, whenever such data are available.The system model represents the 1D liquid water / steam two-phase flow in the tubes of a module, and the heat transfers and the phase change in the PCM outside the tubes. The PCM is represented by a purely conductive model with an equivalent conductivity. A prototype storage module with segmented fins, installed at CEA Grenoble, is simulated with the CFD model; sodium nitrate is used as PCM (phase change temperature: 305°C). A 1D law for the heat transfer between the tube and the PCM is obtained from the CFD results; this law takes into account the convective heat transfer, and the heat transfer enhancement by the fins and the conductive inserts that are disposed in the PCM. An equivalent conductivity of the PCM in the system model is computed from the law. The modelling methodology is validated on charge tests from the prototype module (PCM fusion and steam condensation). The system model correctly reproduces the transient heat transfer rate to the PCM that the CFD predicts and the one measured experimentally, while allowing 10 to 90 times shorter computational times.; Dans un procédé industriel dans lequel de la vapeur intervient, l’intégration d’une solution de stockage de vapeur permet de découpler sa production de son utilisation ; cela permet de réaliser des économies d’énergie, ou bien de valoriser l’énergie thermique d’un effluent de vapeur autrement perdu. Le stockage de vapeur est par ailleurs crucial pour les centrales solaires thermiques à génération directe de vapeur. Ce travail porte sur la modélisation d’un système de stockage de vapeur par Matériau à Changement de Phase (MCP) de type tubes-calandre. Ces systèmes stockent l’énergie thermique de la vapeur via la chaleur latente de changement de phase solide-liquide d’un matériau dit MCP. Les transferts de chaleur dans un module de stockage sont souvent influencés par les mouvements de convection naturelle du MCP liquide pendant la fusion ou la solidification. La prédiction des performances thermiques d’un module requiert de simuler ces mouvements à l’aide d’un modèle de mécanique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD) à maille fine, dont les temps de calculs sont incompatibles avec les besoins du dimensionnement. L’objectif de ce travail est de développer un modèle de dimensionnement et de prédiction des performances d’un module de stockage, qui tienne compte des phénomènes physiques d’échelle fine tout en permettant des temps de calcul raisonnables. L’approche de modélisation est multi-échelles : deux modèles de finesses différentes sont utilisés, à savoir un modèle CFD fin du MCP, et un modèle système d’un module.Le modèle CFD se fonde sur l’approche enthalpie-porosité de Voller, qui permet de simuler en 3D le changement de phase solide-liquide, en tenant compte des mouvements du MCP en phase liquide. La sensibilité du modèle à plusieurs de ses paramètres caractéristiques du changement de phase est étudiée, sur deux cas d’étude pour lesquels les mouvements de convection naturelle sont d’intensités différentes. Les effets d’influence croisée des paramètres sont mis en évidence. La comparaison à des résultats expérimentaux permet de dégager des préconisations pour l’utilisation du modèle. Les valeurs de la chaleur latente et de la plage de température du changement de phase du MCP s’avèrent fondamentales pour les deux cas étudiés, ce qui souligne l’importance de caractériser précisément le MCP pour la simulation numérique du changement de phase solide-liquide. La constante de zone pâteuse, qui détermine le taux de freinage de l’écoulement de liquide au niveau du front de fusion ou de solidification, a une influence différente selon le cas d’étude, aussi bien du point de vue de la tendance suivie par les résultats que de la valeur optimale à adopter. Il est ainsi préconisé de caler ce paramètre sur des résultats expérimentaux, lorsque cela est possible.Le modèle système représente l’écoulement 1D d’eau liquide / de vapeur dans les tubes d’un module, et les transferts de chaleur et le changement de phase dans le MCP à l’extérieur des tubes. Le MCP y est représenté par un modèle de conduction pure avec conductivité équivalente. Le modèle CFD est utilisé pour simuler un module de stockage prototype, installé au CEA Grenoble, avec tubes à ailettes segmentées ; le MCP est du nitrate de sodium (point de fusion : 305°C). Les résultats CFD permettent d’obtenir une loi d’échange thermique 1D entre le tube et le MCP, qui tient compte des échanges convectifs, et de l’intensification des transferts par les ailettes et les inserts conducteurs disposés dans le MCP. Cette loi est utilisée pour calculer une conductivité équivalente du MCP pour le modèle système. La méthodologie de modélisation est validée sur des essais de charge du module prototype (fusion du MCP et condensation de vapeur). Le modèle système reproduit correctement le taux de charge transitoire prédit par le modèle CFD, ainsi que celui mesuré expérimentalement, pour un temps de calcul 10 à 90 fois plus faible.

In an industrial process where steam is employed as a heat carrier, the integration of a steam storage solution allows to make the production of steam independent of its usage. Steam storage technologies can be used to decrease the energy consumption of the process, or to valorize waste heat from steam flows. Steam storage is also crucial for thermal solar power plants with direct steam generation. This work presents a model of a shell-and-tube steam storage system using Phase Change Material (PCM). These systems store the thermal energy of steam through the latent heat of the solid-liquid phase change transition of a material called PCM. The heat transfers in a storage module are often influenced by the natural convection flow of the liquid PCM during fusion and solidification. Predicting the thermal performances of a module can only be done by simulating this flow with a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model with a fine mesh, whose computational times are too high for engineering needs. The goal of this work is to develop a model for the design and the performance prediction of a storage module, which takes into account the fine physical phenomena while having reasonable computational times. A multi-scale modelling approach is adopted: both a fine CFD model of the PCM and a system model of a storage module with a coarser mesh are employed.The CFD model is based on the enthalpy-porosity approach, which allows 3D simulation of solid-liquid phase change, and takes into account the movements of the liquid PCM. The sensitivity of the model to several parameters which characterize the phase change is studied, on two case studies where the natural convection flows has different amplitudes. The crossed influences of the parameters are identified. The comparison to experimental results allows to emit good practices for the use of the model. The values of the latent heat and of the temperature interval where the phase change takes place appear to be fundamental for both cases; this shows that the precision of the PCM characterization is very important for the numerical simulation of solid-liquid phase change. The mushy zone constant, which governs the damping of the liquid flow in the vicinity of the fusion or solidification front, has a different effect on the results and a different optimal value depending on the case study. Therefore, it is recommended to fit the value of this constant on experimental data, whenever such data are available.The system model represents the 1D liquid water / steam two-phase flow in the tubes of a module, and the heat transfers and the phase change in the PCM outside the tubes. The PCM is represented by a purely conductive model with an equivalent conductivity. A prototype storage module with segmented fins, installed at CEA Grenoble, is simulated with the CFD model; sodium nitrate is used as PCM (phase change temperature: 305°C). A 1D law for the heat transfer between the tube and the PCM is obtained from the CFD results; this law takes into account the convective heat transfer, and the heat transfer enhancement by the fins and the conductive inserts that are disposed in the PCM. An equivalent conductivity of the PCM in the system model is computed from the law. The modelling methodology is validated on charge tests from the prototype module (PCM fusion and steam condensation). The system model correctly reproduces the transient heat transfer rate to the PCM that the CFD predicts and the one measured experimentally, while allowing 10 to 90 times shorter computational times.; Dans un procédé industriel dans lequel de la vapeur intervient, l’intégration d’une solution de stockage de vapeur permet de découpler sa production de son utilisation ; cela permet de réaliser des économies d’énergie, ou bien de valoriser l’énergie thermique d’un effluent de vapeur autrement perdu. Le stockage de vapeur est par ailleurs crucial pour les centrales solaires thermiques à génération directe de vapeur. Ce travail porte sur la modélisation d’un système de stockage de vapeur par Matériau à Changement de Phase (MCP) de type tubes-calandre. Ces systèmes stockent l’énergie thermique de la vapeur via la chaleur latente de changement de phase solide-liquide d’un matériau dit MCP. Les transferts de chaleur dans un module de stockage sont souvent influencés par les mouvements de convection naturelle du MCP liquide pendant la fusion ou la solidification. La prédiction des performances thermiques d’un module requiert de simuler ces mouvements à l’aide d’un modèle de mécanique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD) à maille fine, dont les temps de calculs sont incompatibles avec les besoins du dimensionnement. L’objectif de ce travail est de développer un modèle de dimensionnement et de prédiction des performances d’un module de stockage, qui tienne compte des phénomènes physiques d’échelle fine tout en permettant des temps de calcul raisonnables. L’approche de modélisation est multi-échelles : deux modèles de finesses différentes sont utilisés, à savoir un modèle CFD fin du MCP, et un modèle système d’un module.Le modèle CFD se fonde sur l’approche enthalpie-porosité de Voller, qui permet de simuler en 3D le changement de phase solide-liquide, en tenant compte des mouvements du MCP en phase liquide. La sensibilité du modèle à plusieurs de ses paramètres caractéristiques du changement de phase est étudiée, sur deux cas d’étude pour lesquels les mouvements de convection naturelle sont d’intensités différentes. Les effets d’influence croisée des paramètres sont mis en évidence. La comparaison à des résultats expérimentaux permet de dégager des préconisations pour l’utilisation du modèle. Les valeurs de la chaleur latente et de la plage de température du changement de phase du MCP s’avèrent fondamentales pour les deux cas étudiés, ce qui souligne l’importance de caractériser précisément le MCP pour la simulation numérique du changement de phase solide-liquide. La constante de zone pâteuse, qui détermine le taux de freinage de l’écoulement de liquide au niveau du front de fusion ou de solidification, a une influence différente selon le cas d’étude, aussi bien du point de vue de la tendance suivie par les résultats que de la valeur optimale à adopter. Il est ainsi préconisé de caler ce paramètre sur des résultats expérimentaux, lorsque cela est possible.Le modèle système représente l’écoulement 1D d’eau liquide / de vapeur dans les tubes d’un module, et les transferts de chaleur et le changement de phase dans le MCP à l’extérieur des tubes. Le MCP y est représenté par un modèle de conduction pure avec conductivité équivalente. Le modèle CFD est utilisé pour simuler un module de stockage prototype, installé au CEA Grenoble, avec tubes à ailettes segmentées ; le MCP est du nitrate de sodium (point de fusion : 305°C). Les résultats CFD permettent d’obtenir une loi d’échange thermique 1D entre le tube et le MCP, qui tient compte des échanges convectifs, et de l’intensification des transferts par les ailettes et les inserts conducteurs disposés dans le MCP. Cette loi est utilisée pour calculer une conductivité équivalente du MCP pour le modèle système. La méthodologie de modélisation est validée sur des essais de charge du module prototype (fusion du MCP et condensation de vapeur). Le modèle système reproduit correctement le taux de charge transitoire prédit par le modèle CFD, ainsi que celui mesuré expérimentalement, pour un temps de calcul 10 à 90 fois plus faible.

This thesis presents a numerical study of an indirect natural convection solar dryer for drying agricultural products (Figs). The first part analyzes a solar dryer containing a drying chamber coupled to a reversed absorber and a solar chimney. Simulations were made to determine the dynamic and thermal fields under the influence of the variation of the solar chimney configuration and the size of the inlet opening. The governing equations based on the standard k-ε turbulence model are solved by the finite volume method using the ANSYS-Fluent commercial code. The second part analyzes the effect of adding a thermal storage in the form of a gravel bed in the drying chamber. The bed is modeled as a porous medium. Furthermore, this study proposes the use of a second air inlet in the drying chamber in order to ensure a more homogeneous thermal distribution at the level of the racks and to guarantee a more uniform drying., Cette thèse présente une étude numérique d’un séchoir solaire indirect à convection naturelle destiné à sécher les produits agricoles (les figues). La première partie analyse un séchoir solaire contenant une chambre de séchage couplée à un absorbeur inversé et une cheminée solaire. Les simulations ont été faites afin de déterminer les champs dynamique et thermique sous l’influence de la variation de la configuration de la cheminée solaire et la taille de l’ouverture d’admission. Les équations de conservations basées sur le modèle de turbulence k-ε standard sont résolues par la méthode des volumes finis à l’aide du code commercial ANSYS-Fluent. La deuxième partie analyse l’effet d’ajouter un stockage thermique sous forme d’un lit en gravier dans la chambre de séchage. Le lit est modélisé comme un milieu poreux. En plus, cette étude propose l’utilisation d’une deuxième entrée d'air dans la chambre de séchage afin d’assurer une distribution thermique plus homogène au niveau des claies et de garantir un séchage plus uniforme.

The characterization of thermo-convective circulations in natural environments is particularly studied especially for geothermal applications. This characterization corresponds to two issues related to (i) the detection of the hydrothermal flows(ii) the quantification of the energy discharged by the active system. The methodology proposed by this thesis thus comprises two parts. The first component aims at locating active systems with geophysical methods. The prospecting techniques used are electrical resistivity tomography (ERT), in situ temperature measurement and self potential (SP) measurements. The object studied in this thesis is the hydrothermal system located at the upper limit of the Rina Grande sector collapse, at the top of the Stromboli volcano. The sub-surface geophysical approach includes spatial (metric) mapping in ERT, SP and temperature, and monitoring of SP and thermal signals. Spatial mapping informs us about the spatial extension of the hydrothermal system (ERT) and the active character of the circulations (SP and temperature). The model of electrical resistivity has been improved taking into account the topography, resulting from a Digital Elevation Model generated by photogrammetry. The treatment of the monitoring data shows that a linear relationship links the thermal and the PS signals, a relationship that can not be entirely due to thermoelectric effect. The temporal dataset focuses on the dynamics of the convective system and in particular the probable dependence of the vigor of the convective system on seasonal variations in atmospheric temperature.The second part aims at quantifying the energy released by thermo-convective systemsusing a numerical approach. The geophysical approach highlights the fact that damaged areas such as structural boundaries favor the circulation of hydrothermal fluids. This is due to the fact that fractures, open faults, alteration zones, etc. change the permeability of the medium on a small scale. The numerical approach is therefore dedicated to the 3D simulation of the flow and heat transfer in fractured porous media. The work is based on a pre-existing code in fracturing porous media, able to solve the flow problem. This code has been adapted to solve the thermal problem also. The theoretical study aims to quantify the influence of fracture network parameters on the released energy. The influence of fracture density, fracture transmissivity and fracture network anisotropy are evaluated. The study also compares the heat fluxes generated by models where the fractures are discretely inserted with homogeneous models with the same macroscopic properties (effective approach). The results show that the validity of the effective approach is highly dependent on the parameters of the fracture network.; La caractérisation des circulations thermo-convectives dans les milieux naturels est particulièrement étudiée pour ses applications industrielles, notamment en géothermie. Cette caractérisation correspond à deux enjeux liés à (i) la détection des remontées hydrothermales et (ii) la quantification de l'énergie évacuée par le système actif. La méthodologie proposée par cette thèse comporte ainsi deux volets. Le premier volet vise la localisation des systèmes actifs par caractérisation géophysique de sub-surface. Les techniques de prospection mises en œuvre sont la tomographie de résistivité électrique (TRE), la mesure in situ de température et la mesure de polarisation spontanée (PS). L'objet étudié dans cette thèse est la remontée hydrothermale située au niveau de la limite supérieure de l'effondrement de Rina Grande, au sommet du volcan Stromboli. L'approche géophysique de sub-surface comprend une cartographie spatiale (à l’échelle métrique) en TRE, PS et température et un suivi temporel des signaux PS et thermique. La cartographie spatiale nous renseigne sur l'extension spatiale du système hydrothermal (TRE) et le caractère actif des circulations (PS et température). Le modèle de résistivité électrique a été amélioré en tenant compte de la topographie, issue d'un Modèle Numérique de Terrain généré par photogrammétrie. Le traitement des données de surveillance montre qu'une relation linéaire lie le signal thermique et le signal PS, une relation qui ne peut être purement thermo-électrique. Le jeu de données temporel met l'accent sur la dynamique du système convectif et notamment la probable dépendance de la vigueur du système convectif avec les variations saisonnières de température atmosphérique. Le second volet vise à quantifier l'énergie évacuée par des systèmes thermo-convectifs à l'aide d'une approche numérique. L'approche géophysique met en évidence le fait que les zones endommagées telles que des limites structurales favorisent la circulation des fluides hydrothermaux. Ceci s'explique par le fait que fractures, failles ouvertes, zones d'altération etc. changent à petite échelle la perméabilité du milieu. L'approche numérique est donc vouée à la simulation 3D de l'écoulement et du transfert de chaleur dans des milieux poreux fracturés. Le travail s'est basé sur un code d'écoulement en milieux poreux fracturé pré-existant. Ce code a été adapté afin de résoudre le problème thermique. L'étude théorique vise à quantifier l'influence des paramètres du réseau de fractures sur l'énergie dissipée. L'influence de la densité de fractures, de la transmissivité de fractures et l'anisotropie du réseau de fractures sont évaluées. L'étude compare également les flux de chaleur dégagés par des modèles où les fractures sont insérées de manière discrète avec des modèles homogènes et de même propriétés macroscopiques (approche effective). Les résultats montrent que la validité de l'approche effective est fortement dépendante des paramètres du réseau de fracture.

Under the current energy context, the development of solar energy goes through its large scale development, especially in urban areas. Active and integrated solutions, such as photovoltaic double-skins, allow both the heat recovery for building needs and the exploitation of building envelope as collecting surface. Furthermore, this configuration limits the efficiency loss and the acceleration of ageing process due to overheating of the solar cells. Indeed, in this configuration, the photovoltaic panels are separated from the building by an air channel and the thermally driven flow that develops in the channel helps to evacuate the heat absorbed by the panels. However, the global behaviour of the photovoltaic double-skin is complex and not yet fully understood. This study is part of a scientific project on multi-scale modelling and experimentation of BIPV components. It focuses on the experimentation of the natural convection phenomenon in double-façades. An experimental apparatus developed during C. Daverat's thesis models the double-façade by a vertical channel with wall heating. The working fluid is water so as to avoid radiative heat transfer between walls.The experimental apparatus consists of a 65 cm high vertical channel, with isoflux heating, immersed in a 1.5 m high water tank. The fluid flow is instrumented with measurements of heat flux, wall temperature and velocity. The velocity measurements are made by Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry. Two heating configurations are studied: symmetrical (same heat flux is imposed on both walls) and asymmetrical (only one wall is heated, the other one being adiabatic). For the study with symmetrical heating configuration, experimental data from Daverat's thesis are analysed by a zonal approach. The channel is split into several zones and a scaling analysis is conducted in order to explain experimental observations. Thus, the study focuses on heat transfer, pressure evolution in the channel and fluctuations, in particular, the evaluation of the maximum Reynolds stress. The asymmetrical configuration is studied for the transient regime and the steady regime. For the transient regime, early stage (first hours) is characterised in terms of wall temperature, velocity and two- or three-dimensional flow behaviour. A large-scale reversal flow is observed. The impact of external thermal stratification is also studied. For the steady regime, thermal and dynamic behaviours are studied and two different states are distinguished and characterised. Reversal flows are also observed. Finally, the influence of the Prandtl number and the channel width is discussed.; Dans le contexte énergétique actuel, le développement de l'énergie solaire passe par son développement à grande échelle en milieu urbain. Les solutions actives et intégrées telles que les double-façades photovoltaïques permettent d'une part d'envisager une valorisation de la chaleur et d'autre part de valoriser l'enveloppe des bâtiments en tant que surface de captation. De plus, cette configuration limite la perte de rendement et l'accélération du vieillissement liées à la surchauffe des cellules. En effet, les composants photovoltaïques sont séparés du bâtiment par une lame d'air et la convection naturelle développée dans cet espace favorise l'évacuation de la chaleur absorbée par les panneaux. Cependant, le comportement global d'une double-façade photovoltaïque est très complexe et encore mal compris. Cette thèse se focalise sur l'expérimentation du phénomène de la convection naturelle. Un banc d'essais, développé dans le cadre de la thèse de Daverat, modélise la double-façade par un canal vertical avec chauffage pariétal. Le fluide d'étude est de l'eau afin de s'affranchir du rayonnement entre parois et d'étudier le couplage conduction-convection. Le banc d'essais est constitué d'un canal vertical de 65cm de haut, chauffé à une densité de flux uniforme, plongé dans une cellule de 1,5m de haut remplie d'eau. L'écoulement est observé par des mesures de densité de flux de chaleur, de température pariétale et de vitesse, ces dernières étant réalisées par vélocimétrie par images de particules et par vélocimétrie laser Doppler. Deux configurations de chauffage sont étudiées : symétrique et asymétrique. Pour l'étude de la configuration avec un chauffage symétrique, les données expérimentales issues du travail de thèse de Daverat sont analysées par une approche zonale. Un découpage du canal est proposé et une analyse des ordres de grandeur permet de comprendre les observations expérimentales. Ainsi, cette analyse se focalise sur le transfert thermique aux parois, l'évolution de la pression dans le canal et sur les fluctuations, en particulier, sur l'évaluation du terme croisé du tenseur de Reynolds. La configuration d'un chauffage asymétrique est étudiée expérimentalement pour la phase de démarrage et le régime stationnaire. Pour la phase de démarrage, la caractérisation des premières heures à partir de la mise en chauffage de la paroi est réalisée en termes de température pariétale, de vitesse et de comportement bi-/tri-dimensionnel de l'écoulement. Un écoulement de retour de grande échelle est mis en évidence. L'impact de la stratification thermique externe du canal est également étudié. Pour le régime stationnaire, les analyses sont réalisées sur des données pour lesquels le régime est considéré établi. Les comportements thermique et dynamique sont étudiés et mettent en évidence deux états distincts. Des écoulements de retour sont également observés. Enfin, les influences du nombre de Prandtl et de l'écartement du canal sont discutées.

Under the current energy context, the development of solar energy goes through its large scale development, especially in urban areas. Active and integrated solutions, such as photovoltaic double-skins, allow both the heat recovery for building needs and the exploitation of building envelope as collecting surface. Furthermore, this configuration limits the efficiency loss and the acceleration of ageing process due to overheating of the solar cells. Indeed, in this configuration, the photovoltaic panels are separated from the building by an air channel and the thermally driven flow that develops in the channel helps to evacuate the heat absorbed by the panels. However, the global behaviour of the photovoltaic double-skin is complex and not yet fully understood. This study is part of a scientific project on multi-scale modelling and experimentation of BIPV components. It focuses on the experimentation of the natural convection phenomenon in double-façades. An experimental apparatus developed during C. Daverat's thesis models the double-façade by a vertical channel with wall heating. The working fluid is water so as to avoid radiative heat transfer between walls. The experimental apparatus consists of a 65 cm high vertical channel, with isoflux heating, immersed in a 1.5 m high water tank. The fluid flow is instrumented with measurements of heat flux, wall temperature and velocity. The velocity measurements are made by Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry. Two heating configurations are studied: symmetrical (same heat flux is imposed on both walls) and asymmetrical (only one wall is heated, the other one being adiabatic). For the study with symmetrical heating configuration, experimental data from Daverat's thesis are analysed by a zonal approach. The channel is split into several zones and a scaling analysis is conducted in order to explain experimental observations. Thus, the study focuses on heat transfer, pressure evolution in the channel and fluctuations, in particular, the evaluation of the maximum Reynolds stress. The asymmetrical configuration is studied for the transient regime and the steady regime. For the transient regime, early stage (first hours) is characterised in terms of wall temperature, velocity and two- or three-dimensional flow behaviour. A large-scale reversal flow is observed. The impact of external thermal stratification is also studied. For the steady regime, thermal and dynamic behaviours are studied and two different states are distinguished and characterised. Reversal flows are also observed. Finally, the influence of the Prandtl number and the channel width is discussed.; Dans le contexte énergétique actuel, le développement de l'énergie solaire passe par son développement à grande échelle en milieu urbain. Les solutions actives et intégrées telles que les double-façades photovoltaïques permettent d'une part d'envisager une valorisation de la chaleur et d'autre part de valoriser l'enveloppe des bâtiments en tant que surface de captation. De plus, cette configuration limite la perte de rendement et l'accélération du vieillissement liées à la surchauffe des cellules. En effet, les composants photovoltaïques sont séparés du bâtiment par une lame d'air et la convection naturelle développée dans cet espace favorise l'évacuation de la chaleur absorbée par les panneaux. Cependant, le comportement global d'une double-façade photovoltaïque est très complexe et encore mal compris. Cette thèse se focalise sur l'expérimentation du phénomène de la convection naturelle. Un banc d'essais, développé dans le cadre de la thèse de Daverat, modélise la double-façade par un canal vertical avec chauffage pariétal. Le fluide d'étude est de l'eau afin de s'affranchir du rayonnement entre parois et d'étudier le couplage conduction-convection. Le banc d'essais est constitué d'un canal vertical de 65cm de haut, chauffé à une densité de flux uniforme, plongé dans une cellule de 1,5m de haut remplie d'eau. L'écoulement est observé par des mesures de densité de flux de chaleur, de température pariétale et de vitesse, ces dernières étant réalisées par vélocimétrie par images de particules et par vélocimétrie laser Doppler. Deux configurations de chauffage sont étudiées : symétrique et asymétrique. Pour l'étude de la configuration avec un chauffage symétrique, les données expérimentales issues du travail de thèse de Daverat sont analysées par une approche zonale. Un découpage du canal est proposé et une analyse des ordres de grandeur permet de comprendre les observations expérimentales. Ainsi, cette analyse se focalise sur le transfert thermique aux parois, l'évolution de la pression dans le canal et sur les fluctuations, en particulier, sur l'évaluation du terme croisé du tenseur de Reynolds. La configuration d'un chauffage asymétrique est étudiée expérimentalement pour la phase de démarrage et le régime stationnaire. Pour la phase de démarrage, la caractérisation des premières heures à partir de la mise en chauffage de la paroi est réalisée en termes de température pariétale, de vitesse et de comportement bi-/tri-dimensionnel de l'écoulement. Un écoulement de retour de grande échelle est mis en évidence. L'impact de la stratification thermique externe du canal est également étudié. Pour le régime stationnaire, les analyses sont réalisées sur des données pour lesquels le régime est considéré établi. Les comportements thermique et dynamique sont étudiés et mettent en évidence deux états distincts. Des écoulements de retour sont également observés. Enfin, les influences du nombre de Prandtl et de l'écartement du canal sont discutées.

The present work focuses on the stationary analysis of a laminar convective heat transfer in the cavities of small thicknesses modeling the behavior of solar thermal collectors. The considered applications are focused on the thermal performance of cavities through the study of the effect ofcertain relevant factors such as; the flow regime, the aspect ratio of geometric, the shape of the wavy wall, the type of boundary conditions, the surface radiation, the tilt of the cavity and the tilt of the magnetic field. The equations flowing different models are those of Navier-Stokes and the energy on mode coupled surface radiation and natural convection in presence or absence of a magnetic field (MHD). The finite volume method is used to discretize these equations and SIMPLER algorithm to solve them.Our investigations in laminar and steady enabled us to identify the flow structure and the rate of heat transfer within these cavities. Several interesting findings have been obtained for optimizing performance of the cavities in terms reducing heat loss to the outside through the cold surface. Correlations are also proposed for the Rayleigh number critical characteristic of bifurcations conduction/convection, as well as for Nusselt numbers convection and radiation calculated on the glazing., Le présent travail porte sur l’analyse des transferts thermoconvectifs en régime laminaire et stationnaire dans les cavités de faibles épaisseurs modélisant le comportement des enceintes des capteurs solaires thermiques. Les applications considérées mettent l’accent sur les performancesthermiques des cavités à travers l’étude de l’effet de certains facteurs pertinents tels que ; le régime d’écoulement, les rapports de formes géométriques, la forme de l’ondulation, le type des conditions aux limites, le rayonnement surfacique des parois, l’angle d’inclinaison de la cavité et celle du champ magnétique. Les équations d’écoulant des différentes modélisations sont celles de Navier-Stokes et de l’énergie en mode couplé convection-rayonnement de surface en présence ou non d’un champ magnétique (MHD). La méthode des volumes finis est utilisée pour discrétiser ces équations et l’algorithme SIMPLER pour les résoudre.Nos investigations en régime laminaire et stationnaire nous ont permis de cerner la structure d’écoulement et le taux de transfert de chaleur au sein de ces cavités. Plusieurs constats intéressants ont pu être dégagés pour l’optimisation des performances des cavités en termes de réduction de perte thermique vers l’extérieur à travers la surface froide. Des corrélations sont aussi proposées pour le nombre de Rayleigh critique caractéristique des bifurcations conduction/convection au même titre que pour les nombres de Nusselt convectifs et radiatifs calculés sur le vitrage.

This PhD thesis deals with the understanding of the heat transfer mechanisms and with the development of thermal energy storage system for the industrial waste heat recovery application. The use of Phase Change Materials (PCM) is attractive for its high storage density and its possibility to deliver heat at constant temperature. However, the PCM low thermal conductivity leads to develop heat transfer improvement methods, such as heat exchangers with increased heat transfer surface. The goal is to characterize the behavior of such heat exchangers An experimental study, where four several heat exchangers have been tested with different orientations (horizontal/vertical) and injection types (upward/downward), highlighted the impact of natural convection during the melting process and the volume contraction one during the solidification. These results have been validated through a 3D numerical model. A performance comparison method based on an energy calculation through an experimental mesh is proposed and enables to select a heat exchanger on criteria such as the storage density, the characteristic time and the cost. Three PCM, adapted to our application, have been tested at the intended temperature (100-200 °C) by integrating them into a storage system made of a stainless steel tube with aluminum circular fins. Their ability to resist to repeated cycles has been assessed and their behavior has been compared. The salts mixture, H105 (Tmelting = 122 °C), is not selected for the application because of it low storage density (≈ 56 kWh/m3) and its large melting area. The sebacic acid (Tmelting = 132 °C) has a repeatable behavior with cycles and a higher storage density (≈ 66 kWh/m3) and is appropriate as storage material. The sugar alcohol, erythritol (Tmelting = 118 °C), has good thermo-physical properties (128 kWh/m3) but the crystallization control is a key point to use it as a PCM., Cette étude concerne la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et le développement d’un système de stockage pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle. L’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP) permet d’atteindre une densité énergétique élevée et de restituer la chaleur à température constante. Cependant, leur faible conductivité thermique impose d’améliorer les transferts thermiques, notamment par l’utilisation d’échangeurs à surface augmentée. Le but est de comprendre le comportement de tels échangeurs en régime transitoire au contact de MCP. Une étude expérimentale à basse température, où quatre échangeurs de type tube-calandre ont été testés avec différentes orientations (horizontale/verticale) et injections (haut/bas), a mis en évidence des phénomènes de transfert thermique importants, comme la convection naturelle à la charge et la contraction volumique à la décharge. Ces observations ont été validées par un modèle CFD tridimensionnel. Une méthode de comparaison des performances basée sur un calcul d’énergie par le biais d’un maillage expérimental est proposée et permet de sélectionner un échangeur selon les critères de densités énergétiques, de temps caractéristique et de coût. Trois MCP, envisagés pour l’application, ont alors été testés à température réelle (100-200 °C) au contact d’un échangeur tube inox à ailettes transverses en aluminium pour évaluer leur cyclabilité et comparer leur comportement. Le mélange de sels, H105 (Tfusion = 122 °C), n’est pas retenu pour l’application à cause de sa faible densité énergétique (≈ 56 kWh/m3) et sa plage de fusion trop étalée. L’acide sébacique (Tfusion = 132 °C) a un comportement répétable au cours des cycles et une densité énergétique plus élevée (≈ 66 kWh/m3). L’alcool de sucre, l’érythritol (Tfusion = 118 °C), présente de bonnes thermo-physiques (128 kWh/m3) mais la maîtrise de sa cristallisation est un point clé pour l’utiliser en tant que MCP.

The influence of radiative transfer on natural convection flows in cavities is studied numerically in turbulent regimes. The study considers DNS and LES approaches for the convection problem and discrete ordinate method (MOD) to solve the radiative problem combined with the SLW real gas model. The studied configuration is based on an experimental differentially heated cavity in air located at the Pprime Institut with a vertical aspect ratio of 4, for Rayleigh numbers ranging from 1,5x109 to 1,2x1011. The first part of the study focuses on hybrid MPI + OpenMP parallelization of the DOM. The methods developed show performance improvements of 13 to 1600% compared to the classical wavefront method. Then, a study of convection-wall radiation coupling is achieved through a flow sensitivity study to walls emissivities for different values of the Rayleigh number. Then, the gas radiation is added, and its impact is measured through a variation of the relative humidity of the dry air + steam. The results are compared to the case of a convectively adiabatic cavity (i.e. zero convective flux at the passive walls). Radiative transfers have the effect of reducing the central thermal stratification and increase the overall dynamics of the flow. The emissivity of the passive walls drives the location of the laminar-turbulent transition on the active walls and the central thermal stratification, while the gas radiation seems to impact the boundary layers of the horizontal walls.; L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d’augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales.

Thermal regulation for dwellings in France makes the resort to renewable energy mandatory. Solar energy has an important potential regarding its availability, for both thermal and photovoltaic applications. However, due to its intermittency, there is a need for a storing device. Concerning solar thermal systems, Integrated Collector Storage Solar Water Heaters (ICSSWH) have the advantage of a simple design and use combined with reduced costs compared to more classical devices. These systems also enable to avoid the problem of finding space for the installation of a storage system in an existing building, making them more suitable for energy renovation of houses.This present work studies the phenomena of natural convection in an enclosed cavity with high aspect ratio (H/L = 13) representing the storage of an ICSSWH. Firstly, a state of the art of existing systems as well as a literature review of these systems and of the phenomena occurring in them are conducted. The importance of thermal stratification inside the storage tank for the increase of global efficiency for the whole system is highlighted. Secondly, an experimental study of the cavity is performed to understand the fluid flow linked to the satisfying stratification obtained in the system, and find the parameters influencing it. In the experimental setup, a stratification plate is added inside the cavity to harness the ascending hot flow, hence limiting the mixing of fluid which is responsible for the destratification. The heated zone, which represents the exchange between the solar collector and the storage, is placed in the middle of the upper wall of the system, resulting in a good thermal stratification. A reverse flow can be observed at the channel outlet, which is the main parameter for the high temperature difference obtained between the top and the bottom of our system. A CFD study of the experimented system is then conducted to determine the influence of several parameters on the thermal and fluid flow behavior of the system. The decrease of reverse flow allows a better loop of the fluid in the whole cavity. In order to discover whether the thermal stratification observed in the storage leads to a better annual efficiency for the whole ICSSWH, a nodal model is used. Several parameters such as the position of the heat exchange zone between the collector and the storage or the insulation thickness are studied to quantify their influence on thermal stratification, and hence on the overall efficiency of the system., La réglementation thermique sur les bâtiments en France impose le recours aux énergies renouvelables. L'énergie solaire, à la fois thermique et photovoltaïque, présente un grand potentiel en termes de disponibilité. Néanmoins, du fait de son caractère intermittent, des systèmes de stockage associés sont nécessaires. Pour ce qui est des systèmes solaires thermiques, les capteurs solaires intégrant le stockage (CSIS) ont pour avantages une grande simplicité ainsi que des coûts réduits comparés à des systèmes plus classiques. Ils permettent également d'éviter la problématique de la mise en place du stockage, les rendant ainsi adaptés à la rénovation énergétique.Le présent travail de thèse étudie les phénomènes de convection naturelle dans une cavité fermée à haut rapport de forme (H/L = 13) représentant le réservoir de stockage d'un CSIS. Dans un premier temps, un état de l'art des systèmes existants ainsi qu'une étude bibliographique de l'étude de ces systèmes et des phénomènes s'y déroulant sont réalisés. Il y est mis en évidence l'importance de la stratification des températures au sein du réservoir pour l'amélioration des performances globales du système. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cavité est effectuée pour la compréhension des écoulements liés à la mise en place d'une stratification thermique satisfaisante, ainsi que des paramètres pouvant l'influencer. Dans cette étude, une plaque de stratification est ajoutée à l'intérieur de la cavité pour canaliser le fluide chaud ascendant, limitant ainsi le brassage. La zone de chauffe représentant l'échange entre la boucle solaire et le réservoir est placée au milieu de la face supérieure du système, résultant en une bonne stratification. Un écoulement inverse est observé au niveau de la sortie de ce canal. Ce phénomène est principalement responsable de l'écart de température obtenu entre le haut et le bas du système. Une étude numérique CFD du système a donc été conduite pour étudier l'influence de différents paramètres sur le comportement thermique et de l'écoulement. La diminution de l'écoulement inverse permet une meilleure circulation du fluide dans la globalité du système. Afin de déterminer si la stratification thermique observée dans le système de stockage conduit à une performance énergétique annuelle satisfaisante du capteur auto-stockeur, une modélisation nodale a été effectuée. Différents paramètres tels que la position de la zone d'échange entre le collecteur et le réservoir de stockage, ou encore l'épaisseur de l'isolant ont été étudiés pour quantifier leur influence sur les performances du système complet.

This thesis is about the numerical study of an air flow inside a two dimensionally heated cavity. The aspect ratio height/width is set to two. Boundary conditions on horizontal walls are taken as adiabatic. In this case, the base flow consists of a recirculation around the stratified core of the cavity and of boundary layers along the vertical walls. The Navier-Stokes equations are solved using a spectral direct numerical simulation code under the Boussinesq assumption coupled with a particle tracking scheme based on interpolation. The Rayleigh number, based on the temperature difference is chosen as the control parameter of the system. The transition to chaos in this flow is considered both from the Eulerian and Lagrangian point of view.The Lagrangian point of view considers the mixing of point-wise non-diffusive passive tracers. The study is based on the identification of invariant objects: fixed points, periodic orbits and their stable/unstable manifolds,homoclinic and heteroclinic connections, toroidal trajectories.The mixing of tracers is partial when the flow undergoes the first Hopf bifurcation. The complete mixing of tracers results from a compromise between Kolmogorov-Arnold-Moser's tori, which act as barriers to mixing, and homoclinic/heteroclinic tangles which are responsible for the mixing.The statistical study of return times and the homogenisation rate shows regionswhere the dynamics is non-hyperbolic. When the Rayleigh number is increased, mixing is increasingly complete before the flow becomes quasi-periodic in time.The Eulerian description considers the transition to chaos via the numerical identification of attractors and their associated bifurcations when the Rayleigh number is varied. Two main routes are found depending on the symmetries associated with the first two Hopf bifurcations of the system. A total of thirty three different regimes are identified from steady to hyperchaotic, among which two- and three-frequency tori as well as intermittent dynamics. Both quantitative and qualitative bifurcation diagrams are suggested for the system.; Cette thèse est une étude numérique d'un écoulement d'air dans une cavité différentiellement chauffée bidimensionnelle en présence de gravité. Pour un rapport hauteur/largeur de deux et des parois horizontales supposées adiabatiques, l'écoulement de base correspond à une recirculation autour de la cavité avec un coeur stratifié et des couches limites verticales. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par un code de simulation numérique directe spectrale instationnaire basé sur l’hypothèse de Boussinesq couplé à un algorithme de suivi de particules avec interpolation. Le nombre de Rayleigh basé sur la différence de température est choisi comme paramètre de contrôle de l’écoulement. La transition vers le chaos au sein de cet écoulement est explorée à la fois du point de vue eulérien (développement de l’instationnarité) et lagrangien (mélange chaotique).L'approche lagrangienne considère le mélange de traceurs passifs infinitésimaux non diffusifs. L'étude se base sur l'identification d'objets invariants de la dynamiques : points fixes, orbites périodiques et leurs variétés stable/instable, connections homoclines et hétéroclines, trajectoires toroïdales. Le mélange des traceurs est partiel lorsque l'écoulement subit une première bifurcation de Hopf. La dispersion globale des traceurs résulte d'un compromis entre la présence de tores Kolmogorov-Arnold-Moser qui jouent le rôle de barrières au mélange, et d'enchevêtrements homoclines/hétéroclines responsables du chaos lagrangien. L'étude statistique des temps de retour et du taux d'homogénéisation révèle la présence de zones où la dynamique est non hyperbolique. En augmentant le nombre de Rayleigh, le mélange devient progressivement complet avant que l'écoulement ne devienne quasi-périodique en temps. L'approche eulérienne considère les divers scénarios de transition vers le chaos par l'identification numérique d'attracteurs et des bifurcations associées lorsque le nombre de Rayleigh varie. Deux routes principales se distinguent en fonction des symétries associées aux deux premières bifurcations de Hopf du système, contenant chacune plusieurs branches hystérétiques. Trente trois régimes différents sont identifiés et analysés depuis l'écoulement stationnaire jusqu'à un écoulement chaotique voire hyperchaotique. Parmi ceux-ci, des branches de tores à deux et trois fréquences incommensurables, ainsi que des régimes intermittents sont examinés. Des diagrammes de bifurcations qualitatifs et quantitatifs sont proposés pour résumer l'ensemble des dynamiques observées.

This thesis focuses on the numerical modeling of natural convection flows in a verticalchannel asymmetrically heated at constant heat flux. It takes place in a national contextof comparison of numerical approaches (benchmark of the French Thermic Society SFT) andexperimental approaches. The main issues result in the fact that the driving forces lie withinthe computational domain so inlet and outlet flow cannot be a priori prescribed. Thereforeit is difficult to model the interfaces and to prescribe boundary conditions at the open frontiersof the computational domain. We propose two numerical approaches for modeling thistype of flow. In the first approach the numerical domain includes the vertical channel and itsexternal surroundings in the computational domain. This approach implicitly integrates interactions between the channel and its external environment. This allows us to obtain a complete description of the flow and thus to characterize the channel interfaces. Based on these simulations,numerical reference solutions which are modeling a natural convection flow in a vertical channel immersed in a infinite environment are established. In the second approach the computational domain is restricted to the geometric limits of the channel. Several methods for the numerical resolution and for modeling of the interfaces are proposed and then compared with the previous reference solutions. An original modeling based on Robin boundary conditions for the driving pressure is described and shows very good agreements with the reference solutions., Cette thèse porte sur la modélisation numérique des écoulements ouverts de convection naturelle au sein d’un canal vertical asymétriquement chauffé à flux constant. Elle s’inscrit dans un contexte national de comparaison associant approches numériques (benchmark de la Société Française de Thermique SFT) et expérimentales. La particularité de ce type d’écoulement réside dans le fait que le moteur du mouvement est situé au sein même de l’écoulement, rendant alors difficile la modélisation des interfaces et par conséquent la définition des conditions aux limites à appliquer aux frontières ouvertes du domaine de calcul. Nous proposons ici deux approches numériques de modélisation de ce type d’écoulement. La première approche consiste à inclure à la fois le canal vertical et son environnement extérieur dans le domaine de calcul. Cette approche intègre les interactions canal – environnement extérieur de manière implicite et nous permet d’obtenir une description complète de l’écoulementet ainsi de caractériser les interfaces du canal. Sur la base de ces simulations, des solutions numériques de référence modélisant un écoulement de convection naturelle dans un canal vertical immergé dans un environnement infini sont établies. La deuxième approche consiste à restreindre le domaine de calcul aux limites géométriques du canal. Plusieurs méthodes de résolution et modélisation des interfaces sont alors proposées et comparées avec les solutions de référence précédentes. Une approche originale basée sur des conditions limites de type Robin pour la pression motrice montre ainsi de très bons accords avec les solutions de référence.

The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling., Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation.

Radiative transfer effects on natural convection flows are investigated in transitional and turbulent regimes. Air/H2O/CO2 mixtures contained in cubical differentially heated cavities are considered. Benchmark numerical simulations are carried out up to Ra=3x108 by coupling a spectral collocation method for the flow and a ray tracing method, associated with an ADF model, for radiation. In order to study the turbulent regime, a radiative transfer model based on spatial filtering is proposed: filtered contributions are solved with the ray tracing method on a coarse grid and sub-grid contributions are obtained analytically in Fourier space. This model is combined with the direct numerical simulation of the flow at Ra=3x109. The effects of radiative transfer are a decrease of the vertical thermal stratification and an increase of the flow driven in the cavity. When the six cavity walls are black and the gas is transparent, two unstably stratified zones appear upstream the vertical boundary layers. From Ra=5x106, a Rayleigh-Bénard type instability in these zones triggers the unsteadiness. When the adiabatic walls are perfectly reflecting, the isothermal walls are black and the gas is participating, unsteady chaotic flows are obtained in this case from Ra=3x107. Counter rotating rolls at the exit of the vertical boundary layers are observed, which suggests that transition to unsteadiness is due to centrifugal forces., Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d’augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition.

Radiative transfer effects on natural convection flows are investigated in transitional and turbulent regimes. Air/H2O/CO2 mixtures contained in cubical differentially heated cavities are considered. Benchmark numerical simulations are carried out up to Ra=3x108 by coupling a spectral collocation method for the flow and a ray tracing method, associated with an ADF model, for radiation. In order to study the turbulent regime, a radiative transfer model based on spatial filtering is proposed: filtered contributions are solved with the ray tracing method on a coarse grid and sub-grid contributions are obtained analytically in Fourier space. This model is combined with the direct numerical simulation of the flow at Ra=3x109. The effects of radiative transfer are a decrease of the vertical thermal stratification and an increase of the flow driven in the cavity. When the six cavity walls are black and the gas is transparent, two unstably stratified zones appear upstream the vertical boundary layers. From Ra=5x106, a Rayleigh-Bénard type instability in these zones triggers the unsteadiness. When the adiabatic walls are perfectly reflecting, the isothermal walls are black and the gas is participating, unsteady chaotic flows are obtained in this case from Ra=3x107. Counter rotating rolls at the exit of the vertical boundary layers are observed, which suggests that transition to unsteadiness is due to centrifugal forces.; Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d’augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition.

International audience; Bricks with large numbers of air cells have been designed as a method for improving the thermal insulation of the buildings. Increases in the thermal efficiency of these kinds of bricks require a better understanding of the heat transferred by thermal diffusion, natural convection and radiation. The results discussed herein clearly show the large influences of radiation heat transfer for the case of multipartitioned, differentially heated cavities, both for steady and unsteady regimes. The numerical solutions are also compared with analytical solutions based on networks of thermal resistances and with experimental measurements.

Context: Air-conditioning represents a high-energy expenditure in the sector of the building, which could be reduced drastically through the use of passive cooling systems. In hot and humid climates, the passive cooling of premises is a tried and tested technique ordained around four principles: to minimize the external and internal heat transfers, to bring inertness to the building, to humidify the air, and to ensure a good convection in order to favor convective exchanges. Objective: The description of thermo-convective transfers (estimation of mass flows rate and heat transfers) set in open cavities (rooms with crossing ventilation, solar chimney, outer skin of a double facade,...) is still relatively uncommon and the stakes are high to improve passive systems. The study of these phenomena can be evaluated through computational fluid dynamics. This thesis’s objectives are to achieve precise numerical simulations of airflow inspecific configurations of passive systems in damp tropical climates, in order to improve and deepen our knowledge of natural convection and to begin to give information concerning the choice of numerical boundary conditions to apply to open geometries.Numerical approach: The numerical approach adopted in this work, to study the natural turbulent convection, is the Large-Eddy Simulation. This approach is halfway between a direct numerical simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. Such a technique is advantageous as it leads to a necessary substantial reduction of the number of discretizationpoints compared to the technique of direct simulation requirements, while retaining the dynamic aspect of the flows. Results: The results obtained in this work refer to the study of the dynamic boundary conditions to impose in open geometries with SND and to the application of the LES to different configurations of open cavities with a turbulent flow, in order to characterize temperature and velocity fields and then deduce mass flow rate, enthalpy flow,... The results have been compared either to other numerical results in the framework of national benchmarks (benchmark AmeThand ADNBâti) or to experimental results.; Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l’utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s’ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l’inertie au bâtiment, humidifier l’air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l’amélioration des systèmes passifs. L’étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d’améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d’approfondir et d’apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L’approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la résolution des équations moyennées en temps, de type RANS. L’avantage d’une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à celui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l’aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l’étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l’application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d’en déduire les grandeurs intégrales d’intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d’air,... ). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d’autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Context: Air-conditioning represents a high-energy expenditure in the sector of the building, which could be reduced drastically through the use of passive cooling systems. In hot and humid climates, the passive cooling of premises is a tried and tested technique ordained around four principles: to minimize the external and internal heat transfers, to bring inertness to the building, to humidify the air, and to ensure a good convection in order to favor convective exchanges. Objective: The description of thermo-convective transfers (estimation of mass flows rate and heat transfers) set in open cavities (rooms with crossing ventilation, solar chimney, outer skin of a double facade,...) is still relatively uncommon and the stakes are high to improve passive systems. The study of these phenomena can be evaluated through computational fluid dynamics. This thesis’s objectives are to achieve precise numerical simulations of airflow inspecific configurations of passive systems in damp tropical climates, in order to improve and deepen our knowledge of natural convection and to begin to give information concerning the choice of numerical boundary conditions to apply to open geometries.Numerical approach: The numerical approach adopted in this work, to study the natural turbulent convection, is the Large-Eddy Simulation. This approach is halfway between a direct numerical simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. Such a technique is advantageous as it leads to a necessary substantial reduction of the number of discretizationpoints compared to the technique of direct simulation requirements, while retaining the dynamic aspect of the flows. Results: The results obtained in this work refer to the study of the dynamic boundary conditions to impose in open geometries with SND and to the application of the LES to different configurations of open cavities with a turbulent flow, in order to characterize temperature and velocity fields and then deduce mass flow rate, enthalpy flow,... The results have been compared either to other numerical results in the framework of national benchmarks (benchmark AmeThand ADNBâti) or to experimental results., Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l’utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s’ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l’inertie au bâtiment, humidifier l’air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l’amélioration des systèmes passifs. L’étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d’améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d’approfondir et d’apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L’approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la résolution des équations moyennées en temps, de type RANS. L’avantage d’une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à celui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l’aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l’étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l’application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d’en déduire les grandeurs intégrales d’intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d’air,... ). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d’autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Reducing the building consumption passes through : energy saving, energy efficiency and the use of renewable energy sources for a local production of electricity. For the last point, the building integrated photovoltaic systems represent a promising solution. However, electrical yield and life time of silicon solar cells decrease with the increase of its operating temperature, that is why integrated configurations which limits cell overheating must be developed. The solution considered is the double-skin façade configuration : photovoltaic panels are separated from the building wall(or roof) by an opened air channel. This induces a natural convection flow that cools the rear surface of the photovoltaic panels. This flow can also be used for natural ventilation of buildings in summer or for air preheating in winter. This experimental study is part of a project on photovoltaic double-skin façades. In this project, each physical phenomena are analysed separately first, and the coupling between the different phenomena are studied in a second time. This thesis deals with the natural convection into the vertical double-skin façades. The system is modelled by a vertical channel with isoflux heating at the two mains walls. An experimental apparatus was developed in the laboratory for studying natural convection in water in a vertical channel. Water is used as the working fluid to avoid radiative heat transfer and obtain a pure convective flow. The channel is 65 cm high with an adjustable gap. It is placed in a 1.5 m high glass tank filled with 160 L of distilled water. The main walls are heated through 24 independant electrical heaters maintaining a constant heat flux, which allows differents boundary condition (symmetrical, asymmetrical, uniforme, alternated, etc). Heat flux and temperature measurements are made at the walls. The velocity (horizontal and vertical) and temperature of the flow are measured through a two components Laser Doppler Velocimetry system combined with a micro-thermocouple (25 μm diameter). This apparatus is described in details and the measurement uncertainties were characterized. The symmetrical uniform heating configuration was studied here with the analyse of velocity and temperature profiles in the channel for several input power (46 W to 562 W). These profiles show a change in flow regime in the channel that is analysed with turbulent quantities along the channel. Moreover, the pressure is estimated in the channel from the analysis of all the terms of the momentum conservation equations.; La réduction de la consommation des bâtiments passe par : l'économie d'énergie, l'efficacité énergétique et l'utilisation des énergies renouvelables. Sur ce dernier point, l'intégration à grande échelle de composants photovoltaïques (PV) est une solution. Le rendement et la durée de vie des cellules PV en silicium cristalin diminuant avec l'augmentation de leur température de fonctionnement, il est essentiel de mettre au point des configurations d'intégration limitant leur échauffement. L'intégration en configuration de double-peau – la surface PV est séparée du bâtiment par une lame d'air – est une solution prometteuse. Sous l'effet de la chaleur, un écoulement de convection naturelle se met en place entre les deux parois, refroidissant ainsi les panneaux PV. Cet écoulement peut également servir de moteur pour la ventilation en été, et de préchauffage de l'air en hiver. Cette étude, expérimentale, fait partie d'un projet visant à comprendre le fonctionnement des double-peaux PV en analysant séparément les différents phénomènes physiques avant de prendre en compte l'ensemble des couplages. Elle porte plus particulièrement sur la convection naturelle au sein des double-façades verticales. Ici, la double-peau est modélisée par un canal vertical dont les deux parois principales sont chauffées sous des conditions de flux imposé. Un banc d'essais a été développé pour étudier la convection naturelle dans un canal vertical en eau. L'eau a été choisie pour se placer dans le cas d'un écoulement de convection pure (pas de rayonnement entre les parois). C'est un canal vertical de 65 cm de haut avec un écartement réglable placé dans une cuve de 1,5 m de haut contenant 160 L d'eau. Les parois sont chauffées à l'aide de 24 chaufferettes indépendantes délivrant un flux de chaleur uniforme, ce qui permet d'appliquer différentes configurations de chauffage. Des mesures de flux et de température sont réalisées au niveau des parois, et un système couplant de la velocimétrie laser Doppler deux composantes à un micro-thermocouple (25 μm) a été développé pour avoir accès aux vitesses verticale et horizontale et à la température dans le canal. Ce banc et son instrumentation sont décrits et les incertitudes de mesure associées ont été caractérisées. La configuration de chauffage uniforme symétrique a été étudiée ici pour différentes puissances injectées. Les profils de vitesse et de température moyennes mettent en évidence la présence d'un changement de régime d'écoulement dans le canal pour un nombre de Rayleigh indéntifié. L'étude approfondie des profils des fluctuations de vitesse et de température a permis de mettre au point une modélisation comportementale de ce changement de régime. De plus, une première approche est développée pour évaluer la pression dans le canal à partir de l'analyse et de l'estimation des différents termes de l'équation de conservation de la quantité de mouvement.

In France, energy consumption due to buildings heating is an important part of the global primary energy consumption. The tertiary sector represents an unavoidable source of economy in order to reduce energy dependency of France. The turnover of French real estate being relatively low, an effort must be focused on the existing. In this work, we investigate on an innovative process of internal thermal renovation, whose main element is a multifunctional ventilated wall, providing insulation, low temperature heat emission and the wall surfaces finishing. The first works on this ventilated wall were conducted on a prototype designed using a simplified numerical model. Two series of experiments conducted in a climatic cell allowed us to quantify the heat flow through the system. The smooth functioning of the ventilated wall is based on the natural convection in a vertical channel and the results from the prototype showed the presence of complex phenomena within the flow. We therefore chose to study in detail the thermoconvective phenomena in a chimney-like system before continuing the study of the overall component. A theoretical study and PIV experiment were conducted on an academic case of the problem. At the end of the experimental results, we observed several flow regimes, depending on the channel aspect ratio and the outlet Richardson number. Finally, we propose an analytical model of the ventilated wall including all influential geometrical variables. This model has been implemented in the simulation environment Trnsys with the perspective to make annual simulations on a building scale., Le secteur tertiaire représente une source potentielle d'économie incontournable pour parvenir à réduire la dépendance énergétique de la France. Le taux de renouvellement du parc immobilier Français étant relativement faible, un effort doit être porté sur l'existant. Dans ces travaux, nous étudions un procédé innovant de rénovation par l'intérieur, dont l'élément principal est une paroi ventilée multifonctionnelle, assurant l'isolation, l'émission de chaleur basse température ainsi que la finition des surfaces murales. Les premiers travaux sur cette paroi ventilée furent menés sur un prototype dimensionné _a l'aide d'un modèle numérique simplifié. Deux séries d'expériences menées dans une cellule climatique nous ont permis de quantifier les flux de chaleur à travers le système. Le bon fonctionnement de la paroi ventilée repose sur les mécanismes de convection naturelle dans un canal vertical. Les résultats issus du prototype ont montré la présence de phénomènes complexes intervenant au sein de l'écoulement. Nous avons donc choisi d'étudier plus en détails les phénomènes thermoconvectifs dans un système du type source chaude/cheminée avant de poursuivre l'étude sur le système global. Une étude théorique et une expérience ont été menées sur un cas académique du problème. A l'issue des résultats expérimentaux, nous avons observé plusieurs régimes d'écoulements, dépendants du rapport de forme du canal et du nombre de Richardson en sortie. Enfin, nous proposons un modèle analytique de la paroi ventilée comprenant l'ensemble des variables géométriques influentes. Ce modèle a été implémenté dans l'environnement de simulation Trnsys, dans la perspective d'effectuer des simulations annuelles à l'échelle du bâtiment.

An experimental study on the feasibility of sea water desalination by indirect freezing is presented. The whole process of desalination involves a freezing step, followed by a purification of the ice layer by sweating. Crystallization is led from quiescent solution or from agitated solution by air bubbling. The key operating parameters are the cooling rate, and solution salinity. Their effect on ice purity has been quantified in the static and agitated modes. The experimental setup enables as well the control of temperature gradient through the solution when the freezing step is conducted in the static mode. In the absence of temperature gradient and consequently the absence of convection currents, the ice layers formed are very contaminated in salts. The results combining crystallization and sweating show that in all cases, we can obtain drinking water, but with high yield and reduced process time when the crystallization is led in agitated mode. The optimal operating conditions are presented. The modelling of mass and heat transfers in the two phases in the diffusional and convective regimes has enabled the interpretation of the influence of operating parameters of crystallizations operated without agitation. At last, the economic evaluation of the whole desalination process, based on experimental operating points, indicates that energetic consumption of a small scale unit maybe low when using an ideal refrigerating machine which works between the sweating and the crystallization unities.; Une étude expérimentale sur la faisabilité du procédé de dessalement par congélation sur les parois d'un tube cylindrique est présentée. Le procédé se décompose en deux étapes essentielles : la cristallisation suivie par le ressuage. Les cristallisations sont conduites à partir d'une solution stagnante ou agitée par un bullage d'air. Les paramètres opératoires clés sont la rampe de refroidissement et la salinité de l’eau traitée. Leur effet sur la salinité de la glace produite a été quantifié, dans les deux modes de fonctionnement, statique et agité. Le dispositif expérimental permet également de contrôler le gradient thermique à travers la couche de solution pour les cristallisations effectuées en statique. L'absence de gradient thermique et donc de courant de convection mène à des couches de glace très contaminées en sels. Les résultats combinant la cristallisation et le ressuage montrent que dans tous les cas, on peut obtenir de l'eau potable mais avec un rendement plus élevé et une durée réduite si la cristallisation a lieu en mode dynamique. Les conditions opératoires optimales sont proposées. La modélisation des transferts de matière et de chaleur à travers les couches de glace et de solution en régime diffusionnel et convectif a permis d’interpréter l’influence des paramètres opératoires des cristallisations opérées sans agitation. Enfin, l’évaluation économique du procédé complet de dessalement, basées sur des points de fonctionnement expérimentaux, indique que la consommation énergétique d’une petite installation pourrait être très faible en utilisant une machine frigorifique idéale fonctionnant entre l’unité de ressuage et l’unité de congélation.

This work aims to study numerically how instabilities are activated in the drying of solvent/polymer solution. Solvent evaporation induces both a cooling and a decrease in solvent concentration at the free surface. Consequently, density variations (buoyancy) and/or super ficial tension variations (Marangoni eff ect) can gene- rate convection into the bulk. Besides, since the temperature and concentration gradients but also the thickness of the solution evolve during the drying, we are dealing here with a full transient problem. For this purpose, two simpli ed models are established for thermal and solutal regimes respectively. This study mainly focuses on : the transient character of the problem, the role of each phenomenon (thermal/solutal), on one hand, and the impact of the evolution of the solvent mass fraction and by the way of the viscosity of the solution, on the other hand, on the instability thresholds and the flow structure.; Dans ce travail nous étudions numériquement le déclenchement d'instabilités thermo-solutales dans le cas du séchage d'une solution polymère. L'évaporation du solvant entraine une baisse de la température et de la concentration du solvant en surface. Ceci peut générer des instabilités thermo-convectives et solutales, induites par les variations de la masse volumique (poussée d'Archimède) et/ou de la tension super ficielle (eff et Marangoni). L'épaisseur du milieu ainsi que les gradients de température et de concentration évoluent au cours du séchage et il s'agit donc d'un problème transitoire. Deux modèles simplifiés sont mis en place, tenant respectivement compte des e ffets thermique et solutal. L'étude porte principalement sur trois points : la détermination du rôle respectif de chaque phénomène, le caractère transitoire du problème, et enfi n l'influence de l'évolution de la viscosité de la solution avec la concentration au cours du séchage sur les seuils de transition entre les régimes conductif et convectif.

This work aims to study numerically how instabilities are activated in the drying of solvent/polymer solution. Solvent evaporation induces both a cooling and a decrease in solvent concentration at the free surface. Consequently, density variations (buoyancy) and/or super ficial tension variations (Marangoni eff ect) can gene- rate convection into the bulk. Besides, since the temperature and concentration gradients but also the thickness of the solution evolve during the drying, we are dealing here with a full transient problem. For this purpose, two simpli ed models are established for thermal and solutal regimes respectively. This study mainly focuses on : the transient character of the problem, the role of each phenomenon (thermal/solutal), on one hand, and the impact of the evolution of the solvent mass fraction and by the way of the viscosity of the solution, on the other hand, on the instability thresholds and the flow structure.; Dans ce travail nous étudions numériquement le déclenchement d'instabilités thermo-solutales dans le cas du séchage d'une solution polymère. L'évaporation du solvant entraine une baisse de la température et de la concentration du solvant en surface. Ceci peut générer des instabilités thermo-convectives et solutales, induites par les variations de la masse volumique (poussée d'Archimède) et/ou de la tension super ficielle (eff et Marangoni). L'épaisseur du milieu ainsi que les gradients de température et de concentration évoluent au cours du séchage et il s'agit donc d'un problème transitoire. Deux modèles simplifiés sont mis en place, tenant respectivement compte des e ffets thermique et solutal. L'étude porte principalement sur trois points : la détermination du rôle respectif de chaque phénomène, le caractère transitoire du problème, et enfi n l'influence de l'évolution de la viscosité de la solution avec la concentration au cours du séchage sur les seuils de transition entre les régimes conductif et convectif.

Insulation technique using thin reflecting insulation materials (TRP) join the thermal insulation performance of materials as well as air cavities with the reduction of radiative heat transfer using a barrier with low thermal emissivity. The use of these materials has spread enormously in the European markets without a valuable evaluation of their real thermal performance once integrated in the building envelop. The main objective was therefore to carry out a complete characterization of these products integrated in vertical walls and roof systems, by modeling and experimental study, to have a better knowledge of the physical phenomena induced by this type of insulation products. A heat transfer model for a vertical complex wall integrating a TRP adjacent to one or two non-ventilated air layers was realized. A preliminary numerical study characterized the natural convective heat transfer inside the non-ventilated air layers of different dimensions and inclinations. The results of thermal performances were validated by an experimental study based on the principle of the hot box. A heat transfer model of a complex roof system was developed. For summer conditions, the ventilated air layer built between the tiles and the TRP was studied numerically and through PIV measurements. The heat transmission ratio of the complex was determined by varying several parameters. For winter conditions, the thermal performances of the complex were calculated by taking into account the impact of the wind on the ventilated air layer and the permeability of the tiles. The results showed that these products, used as a unique insulation, cannot ensure a good level of insulation in conformity with European standards. Installed as a complement of insulation, they have the advantage of increasing the summer comfort in attics in sunny conditions.; Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

Insulation technique using thin reflecting insulation materials (TRP) join the thermal insulation performance of materials as well as air cavities with the reduction of radiative heat transfer using a barrier with low thermal emissivity. The use of these materials has spread enormously in the European markets without a valuable evaluation of their real thermal performance once integrated in the building envelop. The main objective was therefore to carry out a complete characterization of these products integrated in vertical walls and roof systems, by modeling and experimental study, to have a better knowledge of the physical phenomena induced by this type of insulation products. A heat transfer model for a vertical complex wall integrating a TRP adjacent to one or two non-ventilated air layers was realized. A preliminary numerical study characterized the natural convective heat transfer inside the non-ventilated air layers of different dimensions and inclinations. The results of thermal performances were validated by an experimental study based on the principle of the hot box. A heat transfer model of a complex roof system was developed. For summer conditions, the ventilated air layer built between the tiles and the TRP was studied numerically and through PIV measurements. The heat transmission ratio of the complex was determined by varying several parameters. For winter conditions, the thermal performances of the complex were calculated by taking into account the impact of the wind on the ventilated air layer and the permeability of the tiles. The results showed that these products, used as a unique insulation, cannot ensure a good level of insulation in conformity with European standards. Installed as a complement of insulation, they have the advantage of increasing the summer comfort in attics in sunny conditions.; Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

To begin with, when mixed convection regime is dominant, these simulations, completed by an isotherm one, all performed with low-Reynolds k-w SST model, give prominence to several eddy structures registered by the bibliography. One simulation is also performed with the high-Reynolds Rij-epsilon SSG model. With the k-w SST model, the heat transfer is correctly reproduced compared to the VALIDA experiment lead by the CEA, though with the Rij-epsilon SSG model, it is strongly under-estimated. It is supposed that it comes from the use of wall functions. Subsequently, when natural convection is predominant, flow topology becomes completly different and the heat transfer becomes less accurate to the VALIDA experiment. Following Durbin's approach, the Elliptic Blending-Renolds Stress Model EB-RSM, consists in accouting for wall effects, and in wall blockage in particular. Following this formalism, an Elliptic Blending-Algebraic Flux Model is developped, the EB-AFM. With this model, a priori tests in the three convection regimes and then simulations on the same test cases show major improvements in flow predictions. This leads to an intersting perpective to an intermediate model between SGDH and transport equations., Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l'approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C'est dans ce sens qu'un modèle d'échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques. Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds ßt, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij-epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k-w SST, l'échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l'expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu'avec le modèle Rij-epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l'utilisation de lois de paroi. Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l'expérience VALIDA.Le modèle à pondération elliptique EB-RSM, issu de l'approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D'après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l'EB-AFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d'un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.

This thesis deals with turbulent Rayleigh-Bénard convection for Rayleigh numbers (Ra) up to 10^14, thanks to the use of cryogenic helium. We focused on the convection regime appearing at Ra≈10^12. This regime has been observed and interpreted 10 years ago in Grenoble, as the transition to the R. Kraichnan Ultimate Regime of convection (1962). Two signatures of this regime had been reported : an increase of the Nusselt number (Nu) and a qualitative change of the temperature fluctuations in the bulk of the cell. This last signature has been questionned by invoking a size effect of the sensors. First, we confirm the transition previously observed, with local temperature measurements, using a thermometer ten times smaller. This work is complemented with a study of the probe size effect on the temperature measurement. Thermometers, whose size ranges from 17 microns to 2 mm, were designed for this purpose. Then we indirectly observe an instability of the thermal boundary layer, which is in agreement with predictions on the Ultimate Regime. This observation is based on temperature fluctuations measurements of the bottom plate of the cell. This transition and the one observed on the heat transfer occur at the same Ra. Finally, we exclude the hypothesis that the transition observed on the heat transfer is due to a transition of the large scale circulation in the cell, thanks to the characterization of this circulation before and after the transition.; Cette thèse est consacrée à l'étude de la convection turbulente pour des nombres de Rayleigh (Ra) pouvant atteindre 10^14 grâce à l'utilisation de l'hélium cryogénique. Nous nous intéressons plus particulièrement au régime de convection apparaissant pour Ra≈10^12. Ce régime a été observé et interprété à Grenoble il y a une dizaine d'années, comme la transition vers le Régime Ultime de la convection prédit par R. Kraichnan en 1962. Deux signatures de ce régime avaient alors été observées : une augmentation du nombre de Nusselt (Nu) ainsi qu'un changement qualitatif sur les fluctuations de température dans le cœur de la cellule, cette dernière signature ayant été contestée en invoquant un effet de taille de capteurs. Dans un premier temps, nous confirmons la transition déjà observée sur les mesures locales de température, à partir de mesures réalisées avec un thermomètre dix fois plus petit. Ce résultat est complété par une étude de l'influence de la taille des thermomètres sur les mesures. Des thermomètres dont la taille varie de 17 microns à 2 mm ont été fabriqués dans ce but. Ensuite, nous observons indirectement une instabilité de la couche limite thermique, en accord avec les prédictions sur le Régime Ultime. Cette observation est réalisée à partir de mesures des fluctuations de température de la plaque inférieure de la cellule. Cette transition et celle sur Nu interviennent pour le même Ra. Enfin, nous écartons l'hypothèse selon laquelle la transition observée sur le transfert thermique serait associée à une transition de l'écoulement à grande échelle dans la cellule, grâce à une caractérisation de cet écoulement avant et après la transition.

This thesis deals with turbulent Rayleigh-Bénard convection for Rayleigh numbers (Ra) up to 10^14, thanks to the use of cryogenic helium. We focused on the convection regime appearing at Ra≈10^12. This regime has been observed and interpreted 10 years ago in Grenoble, as the transition to the R. Kraichnan Ultimate Regime of convection (1962). Two signatures of this regime had been reported : an increase of the Nusselt number (Nu) and a qualitative change of the temperature fluctuations in the bulk of the cell. This last signature has been questionned by invoking a size effect of the sensors. First, we confirm the transition previously observed, with local temperature measurements, using a thermometer ten times smaller. This work is complemented with a study of the probe size effect on the temperature measurement. Thermometers, whose size ranges from 17 microns to 2 mm, were designed for this purpose. Then we indirectly observe an instability of the thermal boundary layer, which is in agreement with predictions on the Ultimate Regime. This observation is based on temperature fluctuations measurements of the bottom plate of the cell. This transition and the one observed on the heat transfer occur at the same Ra. Finally, we exclude the hypothesis that the transition observed on the heat transfer is due to a transition of the large scale circulation in the cell, thanks to the characterization of this circulation before and after the transition., Cette thèse est consacrée à l'étude de la convection turbulente pour des nombres de Rayleigh (Ra) pouvant atteindre 10^14 grâce à l'utilisation de l'hélium cryogénique. Nous nous intéressons plus particulièrement au régime de convection apparaissant pour Ra≈10^12. Ce régime a été observé et interprété à Grenoble il y a une dizaine d'années, comme la transition vers le Régime Ultime de la convection prédit par R. Kraichnan en 1962. Deux signatures de ce régime avaient alors été observées : une augmentation du nombre de Nusselt (Nu) ainsi qu'un changement qualitatif sur les fluctuations de température dans le cœur de la cellule, cette dernière signature ayant été contestée en invoquant un effet de taille de capteurs. Dans un premier temps, nous confirmons la transition déjà observée sur les mesures locales de température, à partir de mesures réalisées avec un thermomètre dix fois plus petit. Ce résultat est complété par une étude de l'influence de la taille des thermomètres sur les mesures. Des thermomètres dont la taille varie de 17 microns à 2 mm ont été fabriqués dans ce but. Ensuite, nous observons indirectement une instabilité de la couche limite thermique, en accord avec les prédictions sur le Régime Ultime. Cette observation est réalisée à partir de mesures des fluctuations de température de la plaque inférieure de la cellule. Cette transition et celle sur Nu interviennent pour le même Ra. Enfin, nous écartons l'hypothèse selon laquelle la transition observée sur le transfert thermique serait associée à une transition de l'écoulement à grande échelle dans la cellule, grâce à une caractérisation de cet écoulement avant et après la transition.