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A common scenario considered during the formation of Earth-like bodies is that of magma oceans. Indeed, the accretion energy as well as the heat produced by the radioactive decay of short-period elements is more than enough to melt entirely the primitive mantle, thereby forming a global magma ocean. The pressure-dependence of the solidification temperature as well as the steep isentropic temperature profile at the base of the mantle could lead to a crystallization of that global magma ocean from the middle. The primitive solid mantle could therefore be bounded by two global magma oceans: one above and one below.This PhD thesis focuses on two aspects of such a system. First, the solid part of the mantle and the magma oceans being of similar composition, convecting matter in the solid is not necessarily stopped by the solid/liquid interface but could instead go through it by melting/freezing provided that the phase change timescale is short enough compared to the viscous timescale needed to build a solid topography in the liquid oceans. A linear stability analysis and direct numerical simulations show the phase change at the boundary greatly affects convection in the solid part of the mantle. The critical Rayleigh number decreases, convective patterns have a larger wavelength, and the heat flux carried through the solid increases of up to several orders of magnitude compared to cases with classical boundary conditions.The second aspect explored in this thesis is the long-term evolution of the primitive mantle. Coupling convection in the solid with simple evolution models for the magma oceans allowed us to build a global evolution model of the primitive mantle monitoring the thermo-compositional evolution of the solid mantle and magma oceans. A linear stability analysis shows convection sets in the solid before the surface magma ocean crystallizes entirely. A preliminary direct numerical simulation shows the fractional crystallization of the basal magma ocean may lead to the formation of large thermo-chemical piles at the base of the solid mantle. These piles are similar to the large low-shear velocity provinces (LLSVP) observed today.The presence of global magma oceans could therefore have important consequences on the long-term evolution of the Earth: first, fractional crystallization of the magma oceans and convection in the solid part affect the resulting thermal and compositional structures; and second, the global heat budget could be tremendously affected by the high heat flux carried out by the solid part owing to the phase change boundary conditions.; Un scénario couramment considéré lors de la formation des planètes telluriques est celui des océans de magma. L'énergie d’accrétion ainsi que celle dégagée par la désintégration d’éléments radioactifs de courtes périodes est en effet largement suffisante pour fondre une large portion voire l'entièreté du manteau terrestre, formant dans ce dernier cas un océan de magma global. La dépendance en pression de la température de solidification et le fort gradient du profil isentropique dans le manteau inférieur peut ammener à une cristallisation decet océan de magma global par le milieu. Ceci conduit à une situation où la partie solide du manteau primitif est encadrée par deux océans de magma globaux : un en surface, et un basal. Cette thèse se focalise sur deux aspects scientifiques d'un tel système. D'une part, les océans de magma ayant une composition similaire à celle du solide, la matière en convection dans le solide n'est pas nécessairement arrêtée à l'interface entre le solide et le liquide mais peut la traverser par fusion/cristallisation si le temps de changement de phase est court devant le temps de construction de topographie du solide au sein du liquide par force visqueuse. Une analyse de stabilité linéaire ainsi que des simulations numériques directes montrent que cette possibilité de changement de phase affecte considérablement la convection dans la partie solide. Le nombre de Rayleigh critique est abaissé, les structures convectives ont une plus grande longeur d'onde, et le flux de chaleur transporté à travers la couche solide peut être de plusieurs ordres de grandeurs plus important qu'avec des conditions aux limites classiques. Le deuxième aspect étudié durant cette thèse est celui de l'évolution à long terme du manteau primitif. En couplant le modèle de convection dans le solide avec des modèles simples d'évolution des océans de magma, nous avons construit un modèle d'évolution global du manteau primitif en suivant l'évolution thermo-compositionelle des océans de magma globaux et de la partie solide. Une analyse de stabilité linéaire montre que la convection dans la partie solide démarre avant même que l'océan de magma en surface soit entièrement cristallisé. Une simulation numérique directe préliminaire montre que la cristallisation fractionnée de l’océan de magma basal peut conduire à la formation de larges piles thermochimiques en base du manteau solide, similaires aux structures de faibles vitesses sismiques (LLSVP) observées de nos jours. La présence d'océans de magma globaux peut donc avoir d'importantes répercussions sur l'évolution à long terme de la Terre : d'une part via les structures thermiques et compositionnelles mises en place par la cristallisation fractionnée des océans et la convection dans le solide ; d'autre part, le bilan énergétique global peut être considérablement affecté par le fort flux de chaleur extrait par le manteau solide du fait des conditions de changement de phase.

Artifical ground freezing (AGF) has been used for decades as a temporary soil stabilisation and waterproofing technique inorder to solve civil or mining engineering problems at lower costs. A successful implementation of this technique requires the use of numerical tools to predict the freezing evolution and the site stability. Through a thermodynamically consistent framework, a fully coupled thermo-hydro-mechanical formalism, considering the salinity effect and capturing the most relevant phenomena of ground freezing, is derived. The formalism includes an elasto-viscoplastic constitutive model, able to correctly reproduce the mechanical behavior of frozen soil, and fitted against temperature and strain rate-controlled triaxial tests carried out using a newly-developed experimental facility. The proposed approach is validated by meansof freezing laboratory tests, carried out on specimens initially fully saturated with pure water or with sodium chloride solutions at various concentrations. At the field scale, the formalism is applied to the case of the Cigar Lake mine. Fully coupled thermo-hydro-mechanical simulations of the ground freezing and excavation activities taking place in the mine are performed, in order to predict the freezing evolution in the ground and its influence on the ground movements in the vicinity of production tunnels excavated below the frozen ground.; La congélation artificielle des terrains est utilisée depuis des décennies comme technique de stabilisation et d’imperméabilisation temporaires des terrains pour résoudre des problèmes de génie civil ou minier à moindres coûts. Réussir sa mise en oeuvre nécessite l’utilisation d’outils numériques permettant de prédire l’évolution des parties congelées et la stabilité des terrains. Cette thèse propose une approche de modélisation, élaborée suivant une démarche thermodynamiquement cohérente couplant la thermique, l’hydraulique, la mécanique et la salinité, permettant de simuler la congélation des terrains. Elle inclue un modèle de comportement élasto-viscoplastique, basé sur des essais de laboratoire, capable de prédire la réponse d’un sol congelé. Un nouveau dispositif pour la réalisation d’essais triaxiaux à température et à vitesse de déformation contrôlées a été mis en place à cet effet. Le modèle thermo-hydro-mécanique et chimique a été validé par des essais de gel sur des éprouvettes initialement saturées avec de l’eau pure ou avec une solution de chlorure de sodium à diverses concentrations. A l’échelle de la structure, il a été appliqué au cas de la mine de CigarLake (Canada), à travers des simulations thermo-hydro-mécaniques couplées, qui ont permis de prédire l’évolution de la congélation dans le terrain et d’évaluer son impact sur les déplacements autour des tunnels de production excavés en dessous du massif congelé.

JST, Homogénéisation et calcul multi-échelles dans les matériaux hétérogènes et structures composites, Champs-sur-Marne, FRANCE, 14-/10/2019 - 14/10/2019

Laser sintering (SLS) is one of the additive manufacturing processes using the laser as energy source to fuse and agglomerate powdered polymer materials. Although this technique has attracted so much interest from industry and academics, there is still a lack of understanding of many physical phenomena to describe them correctly by mathematical models to propose process improvements. This thesis is dedicated to modeling and simulation of the SLS process to explore some of the material-process-final properties relationships for sintering semi-crystalline polymers. A macroscopic modeling approach based on the hypothesis of homogeneous equivalent medium is proposed. A transient 3D multiphysical model was developed using the finite volume method. It considers the laser-powder interaction through a volume source term, heat transfer and phase change from the solid powder state with an initial air ratio to the melted state and again to the solid state while taking into account the different kinetics of melting, densification, crystallization and the evolution of the material properties in the thermal environment of the process. In addition, the transient nature of the process and the dynamic evolution of the geometry of the system with the addition of powder layers are taken into account in the model. The model is first validated numerically and then compared to measurements from the literature. Then, as part of the ANR project, the material concerned is PA6 Sinterline, its properties characterized by our project partner (IMP) were used in the models. The effect of the process parameters: laser power, scanning speed, preheating temperature of the powder, temperature of the bulting base and the thickness of the powder layers on the densification and crystallization of the sintered material were analyzed. The effect of rheological characteristics and particle size on the consolidation quality of the sintered polymer is also investigated. The results show the potential of the proposed model for simulation and optimization of the SLS process. This work ends with the future extensions on which researchs must focus in order to improve the understanding and control of the process.; Le frittage laser (SLS) est l'un des procédés de la fabrication additive utilisant le laser comme source d'énergie pour fusionner et agglomérer des poudres de matériaux et réaliser des pièces en polymère. Bien que cette technique a suscité beaucoup l'intérêt des industriels et des académiques, il reste encore de nombreux phénomènes physiques nécessitant des investigations et analyses pour mieux les comprendre, les décrire correctement par des modèles mathématiques et de proposer des améliorations du procédé. Ce travail de thèse est dédié à la modélisation et la simulation du procédé SLS pour explorer certaines des relations matériau-procédé-propriétés finales pour le frittage des polymères semi-cristallins. Une approche de modélisation macroscopique basée sur l'hypothèse du milieu homogène équivalent est proposée. Un modèle multiphysique 3D transitoire a été développé en utilisant la méthode des volumes finis. L'interaction laser-poudre est considérée par le biais d'un terme source de volume, le transfert de chaleur et le changement de phase à partir de l'état poudre solide présentant un taux d'air initial vers l'état fondu et de nouveau vers l'état solide tout en prenant en compte les différentes cinétiques de fusion, de densification, de cristallisation et l'évolution des propriétés du matériau dans l'environnement thermique du procédé. En outre, la nature transitoire du procédé et l'évolution dynamique de la géométrie du système avec l'ajout des couches de poudre sont pris en compte dans le modèle. Le modèle est validé dans un premier temps numériquement puis par rapport à des mesures de la littérature. Ensuite, dans le cadre du projet ANR, le matériau concerné est le PA6 Sinterline, dont les propriétés caractérisées par notre partenaire du projet (IMP) ont été utilisées dans les modèles. L'effet des paramètres machine : puissance laser, vitesse de scanne, température de préchauffage de la poudre, température du bac de fabrication et l'épaisseur des couches de poudre sur la densification et la cristallisation du matériau fritté on été analysés. L'effet des caractéristiques rhéologiques et de la taille des particules sur la qualité de consolidation du polymère fritté est également investigué. Les résultats montrent le potentiel du modèle proposé pour la simulation et l'optimisation du procédé SLS. Ce travail se termine par les futures extensions sur lesquels les travaux de recherche doivent s'orienter afin d'améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé.

Laser sintering (SLS) is one of the additive manufacturing processes using the laser as energy source to fuse and agglomerate powdered polymer materials. Although this technique has attracted so much interest from industry and academics, there is still a lack of understanding of many physical phenomena to describe them correctly by mathematical models to propose process improvements. This thesis is dedicated to modeling and simulation of the SLS process to explore some of the material-process-final properties relationships for sintering semi-crystalline polymers. A macroscopic modeling approach based on the hypothesis of homogeneous equivalent medium is proposed. A transient 3D multiphysical model was developed using the finite volume method. It considers the laser-powder interaction through a volume source term, heat transfer and phase change from the solid powder state with an initial air ratio to the melted state and again to the solid state while taking into account the different kinetics of melting, densification, crystallization and the evolution of the material properties in the thermal environment of the process. In addition, the transient nature of the process and the dynamic evolution of the geometry of the system with the addition of powder layers are taken into account in the model. The model is first validated numerically and then compared to measurements from the literature. Then, as part of the ANR project, the material concerned is PA6 Sinterline, its properties characterized by our project partner (IMP) were used in the models. The effect of the process parameters: laser power, scanning speed, preheating temperature of the powder, temperature of the bulting base and the thickness of the powder layers on the densification and crystallization of the sintered material were analyzed. The effect of rheological characteristics and particle size on the consolidation quality of the sintered polymer is also investigated. The results show the potential of the proposed model for simulation and optimization of the SLS process. This work ends with the future extensions on which researchs must focus in order to improve the understanding and control of the process.; Le frittage laser (SLS) est l'un des procédés de la fabrication additive utilisant le laser comme source d'énergie pour fusionner et agglomérer des poudres de matériaux et réaliser des pièces en polymère. Bien que cette technique a suscité beaucoup l'intérêt des industriels et des académiques, il reste encore de nombreux phénomènes physiques nécessitant des investigations et analyses pour mieux les comprendre, les décrire correctement par des modèles mathématiques et de proposer des améliorations du procédé. Ce travail de thèse est dédié à la modélisation et la simulation du procédé SLS pour explorer certaines des relations matériau-procédé-propriétés finales pour le frittage des polymères semi-cristallins. Une approche de modélisation macroscopique basée sur l'hypothèse du milieu homogène équivalent est proposée. Un modèle multiphysique 3D transitoire a été développé en utilisant la méthode des volumes finis. L'interaction laser-poudre est considérée par le biais d'un terme source de volume, le transfert de chaleur et le changement de phase à partir de l'état poudre solide présentant un taux d'air initial vers l'état fondu et de nouveau vers l'état solide tout en prenant en compte les différentes cinétiques de fusion, de densification, de cristallisation et l'évolution des propriétés du matériau dans l'environnement thermique du procédé. En outre, la nature transitoire du procédé et l'évolution dynamique de la géométrie du système avec l'ajout des couches de poudre sont pris en compte dans le modèle. Le modèle est validé dans un premier temps numériquement puis par rapport à des mesures de la littérature. Ensuite, dans le cadre du projet ANR, le matériau concerné est le PA6 Sinterline, dont les propriétés caractérisées par notre partenaire du projet (IMP) ont été utilisées dans les modèles. L'effet des paramètres machine : puissance laser, vitesse de scanne, température de préchauffage de la poudre, température du bac de fabrication et l'épaisseur des couches de poudre sur la densification et la cristallisation du matériau fritté on été analysés. L'effet des caractéristiques rhéologiques et de la taille des particules sur la qualité de consolidation du polymère fritté est également investigué. Les résultats montrent le potentiel du modèle proposé pour la simulation et l'optimisation du procédé SLS. Ce travail se termine par les futures extensions sur lesquels les travaux de recherche doivent s'orienter afin d'améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé.

CFRAC 2019, 6th International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures, Braunschweig, ALLEMAGNE, 12-/06/2019 - 14/06/2019

CFRAC 2019, 6th International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures, Braunschweig, ALLEMAGNE, 12-/06/2019 - 14/06/2019; Phase field model has been proved to be a useful tool to study the fracture behaviors in heterogeneous materials [1, 2]. This method is able to model complex, multiple crack fronts, and branching in both 2D/3D without ad-hoc numerical treatments. In this study, a new interfacial cracking model in the phase field framework is proposed [3]. The effects of both stiff and soft interphases on the fracture response of composite materials are considered. A dimensional-reduced model based on a rigorous asymptotic analysis is adapted to derive the null thickness imperfect interface models from an original configuration containing thin interphase. The idea of mixing the bulk and interfacial energy within the phase field framework in Nguyen et al. [2] is then used to describe the material degradation both on the interface and in bulk. Moreover, in order to ensure the physical crack propagation patterns, a unilateral contact condition is also proposed for the case of spring imperfect interface. The complex cracking phenomena on interfaces such as initiation, delamination, coalescence, deflection, as well as the competition between the interface and bulk cracking are successfully predicted by the present method. Concerning the numerical aspect, the one-pass staggered algorithm is adapted, providing an extremely robust approach to study interfacial cracking phenomena in a broad class of heterogeneous materials.

We study the liquids spreading on cold substrate, with solidification. The intended application is the aeronautical sector, which faces icing problems when the aircraft is on the ground. The deicing is currently carried out by an ethylene glycol jet, which contributes to an additional cost for the companies and a significant pollution. Our objectives focus on fundamental issues of spreading a drop on a substrate at a temperature below the solidification temperature. On a given surface, is it possible to predict whether the drop solidifies or spreads as soon as it is impacted ? What are the forms taken by it, before, during and after solidification? What is the solidification mechanism and its influence on the spreading dynamics? What are the parameters that control the dynamics of the processes involved ? Several devices and models will be implemented to provide some answers to these questions. Our goals also include strategies to avoid freezing drops and allowing them to slide before freezing. Oscillation of a droplet or grafting of polymer to modify the surface condition will also be considered. This thesis attempts to bring some new elements of understanding by focusing on two very different types of flows. First, the advance of a line of contact in the presence of solidification. Second, the growth of a solid drop under continuous liquid feed.; Nous étudions l’étalement de liquides sur une surface froide, avec solidification. L’application visée est le secteur aéronautique qui est confronté à des problèmes de givrage lorsque l’avion est au sol. Le dégivrage s’effectue actuellement par un jet d’éthylène glycol, qui contribue à un surcoût pour les compagnies et une pollution non négligeable. Nos objectifs portent tout d’abord sur des questions fondamentales d’étalement d’une goutte sur un substrat à une température inférieure à la température de solidification. Sur une surface donnée, est-on capable de prédire si la goutte se solidifie ou s’étale dès son impact ? Quelles sont les formes prises par celle-ci, avant, pendant et après la solidification? Quel est le mécanisme de solidification et son influence sur la dynamique d’étalement ? Quel sont les paramètres qui contrôlent la dynamique des processus mis en jeu ? Plusieurs dispositifs et modélisations seront mis en œuvre en vue d’apporter des éléments de réponses à ces questions. Nos objectifs portent aussi sur des stratégies en vue d’éviter la congélation des gouttes et leur permettre de glisser avant leur congélation. La mise en oscillation d’une goutte ou le greffage de polymère en vue modifier l’état de surface seront également envisagés. Cette thèse tente d’apporter quelques éléments de compréhension nouveaux en se concentrant sur deux types d’écoulements très différent. Premièrement, l’avancée d’une ligne de contact en présence de solidification. Deuxièmement, la croissance d’une goutte solide sous alimentation continue en liquide.

We study the liquids spreading on cold substrate, with solidification. The intended application is the aeronautical sector, which faces icing problems when the aircraft is on the ground. The deicing is currently carried out by an ethylene glycol jet, which contributes to an additional cost for the companies and a significant pollution. Our objectives focus on fundamental issues of spreading a drop on a substrate at a temperature below the solidification temperature. On a given surface, is it possible to predict whether the drop solidifies or spreads as soon as it is impacted ? What are the forms taken by it, before, during and after solidification? What is the solidification mechanism and its influence on the spreading dynamics? What are the parameters that control the dynamics of the processes involved ? Several devices and models will be implemented to provide some answers to these questions. Our goals also include strategies to avoid freezing drops and allowing them to slide before freezing. Oscillation of a droplet or grafting of polymer to modify the surface condition will also be considered. This thesis attempts to bring some new elements of understanding by focusing on two very different types of flows. First, the advance of a line of contact in the presence of solidification. Second, the growth of a solid drop under continuous liquid feed.; Nous étudions l’étalement de liquides sur une surface froide, avec solidification. L’application visée est le secteur aéronautique qui est confronté à des problèmes de givrage lorsque l’avion est au sol. Le dégivrage s’effectue actuellement par un jet d’éthylène glycol, qui contribue à un surcoût pour les compagnies et une pollution non négligeable. Nos objectifs portent tout d’abord sur des questions fondamentales d’étalement d’une goutte sur un substrat à une température inférieure à la température de solidification. Sur une surface donnée, est-on capable de prédire si la goutte se solidifie ou s’étale dès son impact ? Quelles sont les formes prises par celle-ci, avant, pendant et après la solidification? Quel est le mécanisme de solidification et son influence sur la dynamique d’étalement ? Quel sont les paramètres qui contrôlent la dynamique des processus mis en jeu ? Plusieurs dispositifs et modélisations seront mis en œuvre en vue d’apporter des éléments de réponses à ces questions. Nos objectifs portent aussi sur des stratégies en vue d’éviter la congélation des gouttes et leur permettre de glisser avant leur congélation. La mise en oscillation d’une goutte ou le greffage de polymère en vue modifier l’état de surface seront également envisagés. Cette thèse tente d’apporter quelques éléments de compréhension nouveaux en se concentrant sur deux types d’écoulements très différent. Premièrement, l’avancée d’une ligne de contact en présence de solidification. Deuxièmement, la croissance d’une goutte solide sous alimentation continue en liquide.

Phase-Field Models of Fracture, Banff International Research Station Workshop, Banff, CANADA, 03-/03/2019 - 08/03/2019

A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials; Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux

This manuscript addresses the theoretical modeling and numerical simulation of compressible twophase flows. In this context, diffuse interface methods are now well-accepted but progress is still needed at the level of numerical accuracy regarding their capture. A new method is developed in this research work, that allows significant sharpening. This method can be placed in the framework of MUSCL-type schemes, widely used in production codes and on unstructured grids. Phase transition is addressed as well through a relaxation process relying on Gibbs free energies. A new instantaneous relaxation solver is developed and happens to be accurate, fast and robust. Moreover, in view of the intended industrial applications, an extension of the thermodynamics of the phases and of the mixture is necessary. A new equation of state is consequently developed. The formulation is convex and based on the “Noble-Abel-Stiffened-Gas” equation of state. In another context, the dispersion of non-miscible fluids under gravity effects is considered as well. This problematic involves large time and space scales and has motivated the development of a new multi-fluid model for “two-layer shallow water” flows. Its numerical resolution is treated as well.; Ce manuscrit porte sur la modélisation et la simulation numérique d’écoulements diphasiques compressibles. Dans ce contexte, les méthodes d’interfaces diffuses sont aujourd’hui bien acceptées. Cependant, un progrès est encore attendu en ce qui concerne la précision de la capture numérique de ces interfaces. Une nouvelle méthode est développée et permet de réduire significativement cette zone de capture. Cette méthode se place dans le contexte des méthodes numériques de type “MUSCL”, très employées dans les codes de production, et sur maillages non-structurés. Ces interfaces pouvant être le lieu où une transition de phase s’opère, celle-ci est considérée au travers d’un processus de relaxation des énergies libres de Gibbs. Un nouveau solveur de relaxation `a thermodynamique rapide est développé et s’avère précis, rapide et robuste y compris lors du passage vers les limites monophasiques. En outre, par rapport aux applications industrielles envisagées, une extension de la thermodynamique des phases et du mélange est nécessaire. Une nouvelle équation d’état est développée en conséquence. La formulation est convexe et est basée sur l’équation d’état “Noble-Abel-Stiffened-Gas”. Enfin, sur un autre plan la dispersion de fluides non-miscibles sous l’effet de la gravité est également abordée. Cette problématique fait apparaître de larges échelles de temps et d’espace et motive le développement d’un nouveau modèle multi-fluide de type “shallow water bi-couche”. Sa résolution numérique est également traitée.

Une étude numérique du transfert de chaleur instationnaire dans un mur tricouches est présentée. Le modèle physique est basé sur l’équation de conduction thermique unidirectionnelle en tenant compte des équations de couplages au niveau des interfaces et des conditions convectives de surfaces. Les équations de transfert sont données en représentation enthalpique pour le matériau à changement de phase (MCP), et en formulation générale pour les régions solides. La formulation adimensionnelle a permis de dégager les principaux paramètres affectant le transfert : nombre de Biot (Bi), nombre de Stephan (Ste) et le degré de surchauffe (qm). La discrétisation des équations est réalisée en utilisant la méthode des volumes finis selon un schéma explicite. La solution numérique est obtenue par une méthode itérative basée sur la notion d’enthalpie critique. L’étude de l’influence de la condition convective chaude, gouvernée par Bi¥,cet θ¥,c , a montré que la présence des couches solides affecte la cinétique de la solidification, les limites de la solidification et le transfert de chaleur par un effet de stockage et de déstockage d’énergie sensible. L’influence de la température θ¥,c sur le processus de changement de phase est fortement dépendante du nombre de Biot Bi¥,c.

National audience; La méthode de simulation numérique SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) est une méthode Lagrangienne largement utilisée dans diverses applications, allant de l’astrophysique à l’hydrodynamique naval [Monaghan, 2005]. L’objectif de ce projet de recherche est de coupler la méthode SPH avec le transfert thermique (conduction et changement de phase), les aspects de surface libre et la tension de surface. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les équations SPH de transfert de chaleur, qui constituent la première brique de ce projet. Le principe de la méthode SPH est de modéliser un fluide continu en le discrétisant avec une série de particules ; chacune ayant une entité physique (dans ce cas, cette entité est la température) et la transfère aux particules voisines en passant par une fonction de lissage (Kernel/smoothing function) (Figure1). La nature sans maillage de la méthode SPH lui donne l’avantage d’être potentiellement applicable aux géométries complexes. Par contre la mise en oeuvre des conditions aux limites peut parfois être problématique. Nous présenterons des simulations 1D et 2D de problèmes de conduction et de changement de phase avec des comparaisons avec les solutions analytiques [Carslaw et Jaeger, 1959]. Cette approche pourrait être étendue pour simuler plusieurs processus notamment l’ablation au laser et la fabrication additive [Alshaer et al., 2017].

Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) shows high storage density compared to sensible thermal systems. For high temperature applications, the use of alloys as phase change materials presents many advantages. Principally, varying alloy composition allows controlling the storage\discharge of thermal energy through an expected temperature range (defined by the heat source), and the high thermal conductivity givessuitable heat transfer properties to the system that receives/supplies the energy. However, some systems need a specific temperature range to correctly operate. In such conditions, subcooling (also known as undercooling) and segregation are undesirable phenomena in alloys when they are used as PCM. In thepresent work, we propose a method to predict the latent heat release during phase transformation of a binaryalloy submitted to a controlled cooling rate, including subcooling, segregation and variation of composition.This thesis describes the physical models that apply when heat is released from such a material. We takeinto consideration the cooling rate applied to the PCM, the solidification velocity, convective phenomena,melting temperature and subcooling. In the present work, phase diagrams and the CALPHAD methodologyare used to determine the temperature range for phase change (or constant temperature value for isothermal transformation) by minimizing the Gibbs equilibrium energy. The Gibbs free energy minimization has been implemented in a homemade numerical code. The material can be screened with different compositions for equilibrium or off-equilibrium solidification allowing quick selection of the optimal material for the specific heatsource. In the proposed method, the solidification velocity is obtained from the cooling rate. Then, variationin microstructure is driven by the solidification velocity using the local non-equilibrium diffusion model. Based on the local nonequilibrium model that depends on the partition coefficient variation, the subcooling degree, wich is derived from the applied cooling rate is predicted. A bibliographic study has been carried out and anumerical comparison has been undertaken to ensure the capacity of our code to reproduce the phase change of various materials that include phenomena such as subcooling and recalescence. The results highlight that the cooling rate is one of the most important parameters in the performance of the thermal storage, having a large effect on segregation and subcooling degree. Moreover, we show the influence ofpartition coefficient on the time evolution of solid fraction, considering a constant or a composition-dependent value. We can conclude that the latent heat release can be correctly predicted provided that the method correctly predicts the phase diagram and the variable partition coefficient. This work helps to accelerate the design and development of thermal storage systems and lays the foundation to continue exploring other kinds of materials (e.g. paraffins).; La thèse est centrée sur la modélisation de la physique du comportement d’un alliage binaire et l’implémentation du meilleur modèle mathématique pour simuler le changement de phase liquide solide en tenant compte de la vitesse de refroidissement, la vitesse de solidification, la ségrégation, la convection naturelle et la surfusion afin d’optimiser la capacité de stockage de chaleur d'un tel matériau. Dans le présent travail, les températures pour lesquelles le changement de phase s'opère sont estimées grâce aux diagrammes des phases et la méthodologie CALPHAD qui retraduisent les différentes phases d'un alliage binaire, y compris la transformation isotherme. Pour cela, la minimisation de l'énergie de Gibbs est résolue dans un code de calcul développé à cette occasion et aboutit à l'identification des phases stables du matériau. Pour un intervalle de température souhaite le code permet d'estimer rapidement la décharge de chaleur pour la composition de l'alliage sélectionné en équilibre ou hors équilibre. Dans la méthode proposée, la vitesse de refroidissement du système permet de calculer la vitesse de solidification. Puis,celle-ci établit la relation entre la cinétique globale et la macrostructure. Basé sur le modèle de non-équilibre local, qui dépend de la variation du coefficient de partition, le degré de surfusion est prédit à partir de la vitesse de refroidissement appliquée. Une étude bibliographique a été réalisée pour amener une comparaison numérique et assurer la capacité de notre méthode à reproduire le changement de phase, en incluant des phénomènes spécifiques tels que la surfusion et la recalescence.

Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion (BLEVE) is one of the most feared accident in the industry. Even though it has been studied for over 6 decades, many safety questions remain poorly answered: what happens if a BLEVE occurs in a congested urban or industrial area? What if a road tanker BLEVE happens on a bridge? These questions require to look closer to the vessel. This work focuses on understanding the physics involved in overpressure generation in the near field surrounding of the vessel, to understand the contribution of the fluid phases (liquid and vapor) in the near-field hazards of a BLEVE. For this purpose, a small scale experimental prototype was designed to reproduce realistic BLEVE failure. Twenty-four propane BLEVEs were performed. A wide range of data was recorded from these tests: blast overpressure all around the vessel, transient pressure inside the vessel, ground loading under the vessel, and high speed imaging through various angles. Results give more insight on the anisotropy of the pressure field around the cylindrical vessel. It also shows a strong dependency between vapor content and maximum overpressure from the lead shock. Moreover, the chronology of the phase change observed through transient pressure measurements show that the main contributor of the maximum overpressure is the vapor phase. The phase change is studied through pressure transient in the vessel and high speed imaging, giving a better understanding of the time scales involved with this phenomenon. Finally, ground loading measurements are analyzed to give insight on the order of magnitude involved in this hazard.; Le BLEVE (Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion) est l’un des accidents les plus craints dans l’industrie. Bien qu’il soit étudié depuis plus de soixante ans, certains dangers et situations restent mal anticipés, tels que : quelles seraient les conséquences de la surpression d’un BLEVE dans un milieu urbain confiné ? Qu’adviendrait-il si un camion de transport de GPL venait exploser sur un pont ? Ces questions nécessitent d’étudier la physique du BLEVE au plus proche du conteneur. Ce travail explore les phénomènes physiques générant la surpression aérienne en champ proche de l’explosion, en essayant de comprendre la contribution des phases du contenu (liquide et vapeur) dans les dangers en champ proche du BLEVE. Un prototype expérimental petite échelle a été conçu dans le but de reproduire les BLEVE de cuves cylindriques de manière réaliste. Vingt-quatre BLEVEs de propane ont été effectués. Un large spectre de données a été collecté lors de ces tests : surpression aérienne dans de multiples directions autour du conteneur, variations de pression dans le conteneur avant et après rupture, chargement au sol dû à l’explosion, visualisations en imagerie rapide selon un certain nombre d’angles. Les résultats montrent une dépendance forte entre les caractéristiques de la phase vapeur et la suppression maximale générée par l’explosion. La reconstruction chronologique du phénomène confirme ce résultat. Cependant, la phase liquide joue un rôle capital dans la génération du chargement au sol, qui est un danger considérable, mais peu considéré jusque-là.

Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.; La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Une solution de stockage d'électricité, le procédé AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), consiste à comprimer de l'air en phase de stockage et à le détendre dans une turbine afin de récupérer une partie de l'énergie électrique utilisée pour la compression. Lors de la compression la température de l'air augmente de plusieurs centaines de degrés. Il est alors nécessaire d'abaisser sa température pour permettre son stockage. Afin d'augmenter le rendement du procédé, la chaleur évacuée lors de cette étape est récupérée dans des unités de stockage d'énergie thermique qui peuvent par exemple être constituées de lits (fixes ou fluidisés) de particules contenant un Matériau à Changement de Phase (MCP). L'étude de ces lits de particules est complexe car elle fait intervenir des phénomènes couplés entre eux ayant lieu à différentes échelles (micro : échelle de la particule, méso : d'une partie du lit et macro : de l'ensemble du lit). Le logiciel PeliGRIFF (http://www.peligriff.com) autour duquel s'axe le travail de cette thèse permet de modéliser des systèmes d'écoulements particulaires à l'échelle micro (toutes les interactions particule-particule et fluide-particule sont directement résolues) et méso (les interactions fluide-particule sont modélisées). Pour être en mesure d'y simuler une unité de stockage via les MCP en vue de son dimensionnement tout en gardant une puissance de calcul nécessaire raisonnable, il est alors nécessaire de modéliser les phénomènes ayant lieu à l'échelle de la particule et influençant de manière significative les transferts thermiques aux échelles supérieures, en particulier la convection naturelle au sein de la phase liquide du MCP et le changement de phase lors du stockage/de la libération de la chaleur. Etablir ces modèles demande l'étude préalable d'une particule isolée. Le travail réalisé a donc consisté à évaluer au travers de simulations l'impact de la convection naturelle au niveau de la particule et de déterminer comment et dans quelle gamme de nombres adimensionnels, il est nécessaire de prendre en compte ce phénomène. Pour cela, des simulations sous OpenFOAM d'une unique particule soumise à un gradient de température sous différents nombres de Rayleigh et de Prandtl permettant le déclenchement de la convection naturelle ont été réalisées. Les résultats obtenus ont permis de déterminer l'effet de la convection sur les échanges et d'établir une corrélation reliant le flux de chaleur moyen (échangé entre l'extérieur et le fluide contenu dans la particule) aux nombres de Prandtl et Rayleigh de la particule . Cette corrélation permet de recalculer l'évolution temporelle de la température moyenne de la particule à partir de la connaissance des nombres de Prandtl et Rayleigh. La température moyenne ainsi recalculée et la température moyenne obtenue par simulation sous OpenFOAM ont ensuite été comparées pour divers couples (Rayleigh, Prandtl) afin de valider cette corrélation.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Cet article présente une étude expérimentale sur le transfert de masse et de chaleur avec changement de phase dans un milieu poreux en mousse de cuivre. Les phénomènes de changement de phase en milieux poreux occupent une place importante dans un grand nombre d'applications, en particulier les systèmes de transfert thermique tels que les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire. Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire sont des dispositifs qui utilisent la circulation d'un fluide et les propriétés du changement d'état liquide-vapeur dans un corps poreux pour transférer d'importantes quantités de chaleur sur des distances qui peuvent atteindre quelques mètres. L'objectif de cet article est d'étudier l'effet des pertes de charge gravitaires et les propriétés du matériau (porosité, diamètre moyen de pores) sur le transfert de masse et de chaleur dans la mèche poreuse. Les résultats expérimentaux montrent qu'une augmentation des pertes de charges gravitaires entraîne une augmentation de la température du bâti métallique, ce qui fait chuter le rendement de l'évaporateur. L'effet de la porosité et du diamètre moyen des pores sur le phénomène de changement de phase dans le milieu poreux a été aussi étudié. Nous avons montré que la variation de ces deux paramètres a un impact direct sur le rendement de l'évaporateur. En effet, ces paramètres interviennent à la fois au niveau de la dynamique du fluide dans la mèche (perméabilité et pression capillaire maximale) et au niveau des transferts thermiques (la porosité intervient dans la conductivité thermique effective).

The main objective of this thesis is to study, through a numerical model and experimentations, the performance and behaviour of different spiral groove face seals, usually used for gas applications, in the case of liquid lubrication. The aim of this work will be to evaluate the eventuality to replace smooth mechanical face seals used in liquid cryogenic turbopumps space rocket applications by spiral groove face seals.The literature presents different theoretical and experimental studies on surface texturing, two-phase flow and turbulence. These last two points may appear when sealing a cryogenic fluid. A numerical model has been developped in finite elements. It solves the Reynolds equation and the energy equation into the fluid film. This equation is expressed using the enthalpy and can thus be used in case of homogeneous fluid phase change. Fluid/structure coupling is considered to obtain thermoelastic deformations of the solids. The next part of this study is dedicated to experiments with water lubricated spiral groove face seals with different groove depths. A comparison with smooth face seals has been done showing that the friction torque of the spiral groove face seals is lower than the smooth face seals one. On the other hand, the spiral groove flow rate is higher. Sharp changes in behaviour such as, laminar to turbulent transition from a Reynolds number equals to 1500, or two-phase flow at low pressure, high angular speed and supplying temperature of the fluid, are observed. The last part compares the thermoelastohydrodynamic theoretical model to experimental results in laminar flow, for one-phase and two-phase flow. The model is able to capture the experimental findings. Even if some convergence difficulties are encountered in two-phase flow, the model can be used for seal design in industrial applications.; L'objectif principal de cette thèse est d'étudier, à l'aide d'un code de calcul numérique et d'une caractérisation sur banc d'essai, les performances et le comportement de différentes garnitures mécaniques à rainures spirales, habituellement utilisées pour dez gaz, en application de lubrification avec un liquide. La finalité de ce travail sera de statuer sur la possibilité de remplacer les garnitures mécaniques à faces lisses employées dans les applications liquides de type turbopompe cryogénique de lanceurs spatiaux par des garnitures mécaniques à faces rainurées en spirale.L'étude bibliographique présente différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la texturation de surface, le changement de phase et de la turbulence. Ces deux derniers points peuvent se produire en présence d'un fluide cryogénique. Un modèle numérique a été développé en éléments finis. Il résout l'équation de Reynolds et l'équation de l'énergie dans le film fluide. Cette dernière est formulée en enthalpie et considère le changement de phase du fluide comme un mélange homogène. Le couplage fluide/solides est considéré pour obtenir les déformations thermoélastiques des solides. La partie suivante de cette étude présente des essais expérimentaux, avec de l'eau, de garnitures mécaniques avec différentes profondeurs de rainures spirales. Une comparaison avec des faces lisses à été réalisée et montre que le couple de frottement est moins élevé lorsque des rainures spirales sont utilisées. En revanche, leur débit de fuite est plus élevé. Des changements nets de comportement apparaissent tels que de la transition laminaire-turbulent à partir d'un nombre de Reynolds de 1500, ainsi que du changement de phase à faible charge, fortes vitesse de rotation et température d'alimentation. La dernière partie confronte le modèle théorique thermoélastohydrodynamique aux essais expérimentaux en régime d'écoulement laminaire, pour un fluide monophasique et diphasique. Le modèle de changement de phase développé permet de reproduire les observations expérimentales. Malgré quelques difficultés de convergence en écoulement diphasique, le modèle pourra être utilisé pour le développement de garnitures dans des applications industrielles.

The main objective of this thesis is to study, through a numerical model and experimentations, the performance and behaviour of different spiral groove face seals, usually used for gas applications, in the case of liquid lubrication. The aim of this work will be to evaluate the eventuality to replace smooth mechanical face seals used in liquid cryogenic turbopumps space rocket applications by spiral groove face seals.The literature presents different theoretical and experimental studies on surface texturing, two-phase flow and turbulence. These last two points may appear when sealing a cryogenic fluid. A numerical model has been developped in finite elements. It solves the Reynolds equation and the energy equation into the fluid film. This equation is expressed using the enthalpy and can thus be used in case of homogeneous fluid phase change. Fluid/structure coupling is considered to obtain thermoelastic deformations of the solids. The next part of this study is dedicated to experiments with water lubricated spiral groove face seals with different groove depths. A comparison with smooth face seals has been done showing that the friction torque of the spiral groove face seals is lower than the smooth face seals one. On the other hand, the spiral groove flow rate is higher. Sharp changes in behaviour such as, laminar to turbulent transition from a Reynolds number equals to 1500, or two-phase flow at low pressure, high angular speed and supplying temperature of the fluid, are observed. The last part compares the thermoelastohydrodynamic theoretical model to experimental results in laminar flow, for one-phase and two-phase flow. The model is able to capture the experimental findings. Even if some convergence difficulties are encountered in two-phase flow, the model can be used for seal design in industrial applications.; L'objectif principal de cette thèse est d'étudier, à l'aide d'un code de calcul numérique et d'une caractérisation sur banc d'essai, les performances et le comportement de différentes garnitures mécaniques à rainures spirales, habituellement utilisées pour dez gaz, en application de lubrification avec un liquide. La finalité de ce travail sera de statuer sur la possibilité de remplacer les garnitures mécaniques à faces lisses employées dans les applications liquides de type turbopompe cryogénique de lanceurs spatiaux par des garnitures mécaniques à faces rainurées en spirale.L'étude bibliographique présente différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la texturation de surface, le changement de phase et de la turbulence. Ces deux derniers points peuvent se produire en présence d'un fluide cryogénique. Un modèle numérique a été développé en éléments finis. Il résout l'équation de Reynolds et l'équation de l'énergie dans le film fluide. Cette dernière est formulée en enthalpie et considère le changement de phase du fluide comme un mélange homogène. Le couplage fluide/solides est considéré pour obtenir les déformations thermoélastiques des solides. La partie suivante de cette étude présente des essais expérimentaux, avec de l'eau, de garnitures mécaniques avec différentes profondeurs de rainures spirales. Une comparaison avec des faces lisses à été réalisée et montre que le couple de frottement est moins élevé lorsque des rainures spirales sont utilisées. En revanche, leur débit de fuite est plus élevé. Des changements nets de comportement apparaissent tels que de la transition laminaire-turbulent à partir d'un nombre de Reynolds de 1500, ainsi que du changement de phase à faible charge, fortes vitesse de rotation et température d'alimentation. La dernière partie confronte le modèle théorique thermoélastohydrodynamique aux essais expérimentaux en régime d'écoulement laminaire, pour un fluide monophasique et diphasique. Le modèle de changement de phase développé permet de reproduire les observations expérimentales. Malgré quelques difficultés de convergence en écoulement diphasique, le modèle pourra être utilisé pour le développement de garnitures dans des applications industrielles.

International audience; On s’intéresse à la simulation des problèmes physiques rencontrés au niveau de l’interface dans les écoulements multiphasiques. Les interfaces sont suivies à l’aide d’une méthode Level set conservative. Le maillage est adapté à la solution à l’aide d’un estimateur d’erreur à posteriori qui raffine le maillage dans les régions des plus grands gradients, permettant ainsi une meilleure capture des phénomènes physiques. La tension de surface est implémentée de manière implicite permettant ainsi de s’affranchir de la contrainte sur le pas de temps et d’éviter l’apparition d’oscillations parasites de l’interface. Un modèle de changement de phase adapté au formalisme levet set est proposé permettant de caractériser de manière précise les échanges de masse et d’énergie entre les différentes phases. Une nouvelle formulation des équations de Navier Stokes est proposée. Pour tester et valider cette approche, plusieurs cas tests seront presentés et analysés.

International audience; On se propose de simuler le procédé de trempe à l’échelle industrielle. Une méthode level set conservative est utilisée pour le suivi des interfaces solide/liquide/gaz. Une nouvelle formulation unifiée éléments finis des équations de Navier-Stokes a été développée, permettant de considérer simultané- ment un fluide incompressible et un fluide compressible. Ces méthodes sont combinées à un estimateur d’erreur a posteriori qui permet une adaptation de maillage anisotrope. On montre la validité de cette approche en simulant un cas de trempe industrielle à l’aide du calcul haute performance.

International audience; Compared to degree-day snow models, physically-based snow models resolve more processes in an attempt to achieve a better representation of reality. Often these physically-based models resolve the heat transport equations in snow using a vertical discretization of the snowpack. The snowpack is decomposed into several layers in which the mechanical and thermal states of the snow are calculated. A higher number of layers in the snowpack allow for better accuracy but it also tends to increase the computational costs. In order to develop a snow model that estimates the temperature profile of snow with a lower computational cost, we used an analytical decomposition of the vertical profile using eigenfunctions (i.e. trigonometric functions adapted to the specific boundary conditions). The mass transfer of snow melt has also been estimated using an analytical conceptualization of runoff fingering and matrix flow. As external meteorological forcing, the model uses solar and atmospheric radiation, air temperature, atmospheric humidity and precipitations. It has been tested and calibrated at point scale at two different stations in the Alps: Col de Porte (France, 1325 m) and Weissfluhjoch (Switzerland, 2540 m). A sensitivity analysis of model parameters and model inputs will be presented together with a comparison with measured snow surface temperature, SWE, snow depth, temperature profile and snow melt data. The snow model is created in order to be ultimately coupled with hydrological models for rainfall-runoff modeling in mountainous areas. We hope to create a model faster than physically-based models but capable to estimate more physical processes than degree-day snow models. This should help to build a more reliable snow model capable of being easily calibrated by remote sensing and in situ observation or to assimilate these data for operational forecasting purposes.

In the context of Liquefied Natural Gas (LNG) transportation in floating tanks, such as in LNG carriers, the constraints imposed by the sloshing of the liquid cargo on the tank have to be estimated. Most experimental and numerical studies until now do not take into account the possibility of phase change between the LNG and its vapor during the impact of liquid on the wall. The goal of this thesis is to include this physical phenomenon into a CFD code for the simulation of a breaking wave impact on a wall.A state of the art of the different modelisations of phase change in fluid mechanics is thus presented. This work focus on the modeling of phase change between the liquid and the gas at a sharp interface, without any equilibrium hypothesis. An hyperbolic system of balance laws including non-equilibrium interfacial phase change is presented.Two approaches are used to solve numerically this system. The first one relies on a mixture model for the description of the finite volume cells containing the interface, whereas in the second approach the interface is reconstructed and evolves in a lagrangian way. Both methods are based on a Roe-type finite volume scheme.The challenge of the numerical simulation of interfacial phase change is the capacity of the code to deal with density ratio far from 1 and high latent heat, as the lead to high temperature and pressure variations at the interface. The thermal aspect is the limiting phenomenon in the frame of wave impact simulation with phase change. Only a thin boundary layer around the interface tends to return to thermodynamical equilibrium, thus limiting the quantitative effect of phase change.; Dans le cadre du stockage de Gaz Naturel Liquéfié (GNL) dans des réservoirs flottants, tels que les méthaniers, les contraintes imposées à la cuve par le ballotement de la cargaison doivent être quantifiées. La plupart des études expérimentales ou numériques actuelles ne prennent pas en compte la possibilité de changement de phase entre le GNL et sa vapeur lors d'un impact du liquide sur la paroi. L'objectif de cette thèse est l'ajout de ce phénomène physique dans un code de mécanique des fluides numérique pour la simulation de l'impact d'une vague déferlante sur une paroi.Dans ce but, un état de l'art des différentes modélisations possibles du changement de phase en mécanique des fluides est présenté. Il a été choisi de modéliser le changement de phase entre le liquide et le gaz à une interface franche sans hypothèse d'équilibre thermodynamique à l'interface. Un système hyperbolique de lois de conservation incluant le changement de phase interfacial hors-équilibre est présenté.Deux approches sont utilisées pour la résolution numérique de ce système. La première utilise un modèle de mélange pour décrire les mailles contenant l'interface liquide-vapeur. Dans la seconde méthode, l'interface est reconstruite et évolue de manière lagrangienne. Les deux approches sont basées sur un schéma volume fini de type Roe.L'enjeu de la simulation numérique du changement de phase interfacial est la capacité du code à gérer un rapport de densité loin de 1 et une chaleur latente élevée, qui entrainent respectivement de fortes variations de pression et de température à l'interface. L'aspect thermique est le phénomène limitant dans le cadre de la simulation d'impacts de vagues avec changement de phase. Seule une fine couche limite thermique autour de l'interface tend à revenir à l'équilibre thermodynamique liquide vapeur, ce qui limite l'effet quantitatif du changement de phase.

Currently, there is a strong industrial need for sophisticated physical models such as the two-phase model with 6 equations or multi-field models for the thermo-hydraulic calculation of nuclear reactor components. In addition, the system code CATHARE of CEA, one of the most utilized system codes at the international level, employs a two-phase 6 equations and a semi-implicit numerical scheme of ICE type on staggered grids. The code CATHARE is known for its robustness in a wide range of flow configurations. Drawing on the experience of CATHARE, we propose to implement a collocated finite volume pressure based scheme. The aim is to obtain a decentering of flux which ensures the robustness of the scheme while keeping good accuracy. In addition, being able to use collocated grids (structured or unstructured) can handle different complex configurations. The scheme should conserve exactly the mass and energy and the numerical solution needs to converge when the mesh is refined. The scheme should be able to handle cases of phase appearance and disappearance, for example in the case of boiling column where phase change is due to heat transfer, the case of nozzles with phase change due to a widening or abrupt narrowing, or phase separation by gravity. In addition the scheme should be capable of calculation configurations at low Mach number. The purpose is to develop a co-located Finite Volume method (in the spirit of Ghidaglia et al.) And direction of investigation is build on work of Jeong et al. which led to CUPID code. References: Ghidaglia, J. M., Kumbaro, A., & Le Coq, G. (2001). On the numerical solution to two fluid models via a cell centered finite volume method. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 20(6), 841-867. Jeong, J. J., Yoon, H. Y., Cho, H. K., Kim, J., & Park, I. K. (2008). A semi-implicit numerical scheme for a transient two-fluid three-field model on an unstructured grid. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35(5), 597-605., Actuellement, les codes de calcul de composants thermohydrauliques de réacteurs nucléaires du CEA et d'EDF utilisent des modèles physiques diphasiques de mélange à 3 ou 4 équations. Or, il existe un fort besoin industriel pour des modèles physiques plus sophistiqués tels que le modèle diphasique à 6 équations voire des modèles multichamps. Par ailleurs, le code système CATHARE du CEA, un des codes systèmes les plus utilisés aujourd'hui sur le plan international, utilise un modèle physique diphasique à 6 équations et un schéma numérique semi-implicite de type ICE à maillages décalés. Le schéma de CATHARE est connu pour sa robustesse dans une large gamme de configurations d'écoulement. En s'inspirant de l'expérience de CATHARE, on propose de mettre en œuvre un schéma volumes finis colocalisés de type « pressure based ». Le but est d'obtenir un décentrement des flux qui assure la robustesse du schéma tout en gardant une bonne précision. De plus, le fait de pouvoir utiliser des maillages colocalisés (structurés ou non-structurés) permet de traiter de différentes configurations complexes de cœur de réacteurs et de réaliser des calculs fin d'inter assemblage. Le schéma doit conserver exactement la masse et l'énergie et la solution numérique doit converger lorsque l'on raffine le maillage. Le schéma doit être capable de traiter des cas d'apparition et de disparition des phases, par exemple le cas de la colonne bouillante où il y a changement de phase dû au transfert de chaleur, des cas de tuyères avec changement de phase dû à un élargissement ou un rétrécissement brusque, ou de séparation de phase par gravité. En outre le schéma doit être capable de traiter des configurations de calcul à faible nombre de Mach, par exemple le cas du renoyage d'un cœur de réacteur. L'objet de la thèse consistera à développer une méthode Volumes Finis co-localisés (dans l'esprit de Ghidaglia et al.) et la direction d'investigation s'inspirera des travaux de Jeong et al. qui a conduit au code CUPID. Références. Ghidaglia, J. M., Kumbaro, A., & Le Coq, G. (2001). On the numerical solution to two fluid models via a cell centered finite volume method. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 20(6), 841-867. Jeong, J. J., Yoon, H. Y., Cho, H. K., Kim, J., & Park, I. K. (2008). A semi-implicit numerical scheme for a transient two-fluid three-field model on an unstructured grid. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35(5), 597-605.

The modeling of the change of state solid-liquid or liquid-vapor is approached starting from the concepts of the discrete mechanics. Several idea of the continuum mechanics are discarded with the advantage of an approach based on implicit relations of jump and methods coming from the differential geometry. The problem of the discontinuity of contact associated with a change of state is tackled by the solution of a hyperbolic heat flux conservation equation of the completed by the energy conservation law for upgrade the temperature. It is the vectorial equation on the heat flux which integrates the latent heat of fusion/condensation. The problem of Stefan with constant density is initially solved and the result compared to the analytical solution in a one dimension of space. In order to represent the phenomenon of condensation where the densities of the vapor and the liquid are different, the discrete equation of the movement is solved by including another discontinuity. The conservations of the vector quantities, heat flux and momentum are exactly assured just as those energy and the mass.; La modélisation du changement d'état solide-liquide ou liquide-vapeur est abordée à partir des concepts de mécanique des milieux discrets. Un certain nombre de notions de la mécanique des mi-lieux continus sont abandonnés au profit d'une approche basée sur des relations de saut implicités et de méthodes issues de la géométrie différentielle. Le problème de la discontinuité de contact associé à un changement d'état est abordé par la résolution d'une équation de conservation du flux de chaleur hyperbolique complétée par la conservation de l'énergie pour remonter la température. C'est l'équation vectorielle sur le flux de chaleur qui intègre la chaleur latente de fusion/condensation. Le problème de Stefan à masse volumique constante est d'abord résolu et le résultat comparé à la solution analytique en une dimension d'espace. Afin de représenter le phénomène de condensation où les masses volumiques de la vapeur et du liquide sont différentes, l'équation du mouvement discrète est résolue en incluant une autre discontinuité. Les conservations des quantités vectorielles, flux de chaleur et quantité de mouvement sont assurées exactement de même que celles de l'énergie et de la masse. Mots clés Mécanique des milieux discrets, mécanique des milieux continus, décomposition de Hodge-Helmholtz, problème de Stefan, changement d'état, fusion, condensation.

The behaviour of quasi-saturated materials is an important factor to be considered when designing cuttings and embankments in which earthwork materials are compacted to the optimum proctor density. Typically, soil compaction is performed at the optimum Proctor or on the wet side of the optimum, which means that the soil is in a highly saturated state. Cruz et al (1985) have shown that at a high degree of saturation (greater than 85% or even 90% in the case of certain soils), the liquid phase is continuous whereas the gas phase in the form of entrapped air bubbles is discontinuous. It is the presence of the entrapped air bubbles which makes the soil behaviour complex. The construction of a theoretical model for this type of soils requires the consideration of various physical-mechanical phenomena and their couplings occurring within the tri-phasic medium consisting of the solid grains, liquid water containing dissolved air and the entrapped air bubbles. In this sense, a new hydromechanical model has been developed that takes into account the physical-mechanical interactions between different phases as well as the kinematics of each constituent (liquid water, dissolved air, gaseous air and solid grains). In particular, the model accounts for the interfacial tension, migration of gaseous and liquid phases, which have important impacts on the mechanical behaviour. The development leads to a system of highly non-linear partial differential equations which can be solved numerically using the finite element method. This new model has been implemented in a numerical code “Hydromech” written in C++, developed originally by Pereira (2005) that has been used to simulate oedometer tests with different hydromechanical loading paths. In particular, this code allows to simulate consistently the transition across different regimes of saturation, both with respect to space (progressive translation of a boundary between two neighbouring regimes) and to time (transition of one regime to another at a fixed material point); which constituted a difficult modelling problem at the start. Numerical studies carried out show that this model gives consistent results providing a clear demonstration of its ability to simulate with precision the hydro-mechanical behaviour of quasi-saturated soils containing entrapped air.; Lors du dimensionnement des ouvrages en terre : remblais, digues, on observe que la plupart des matériaux sont compactés à l’optimum Proctor ou coté humide. En général, ce compactage implique que le sol se trouve dans un état où le degré de saturation est très élevé. Cruz et al (1985) ont montré qu'à un degré de saturation élevé (supérieur à 85%, voire 90% dans le cas de certains sols), la phase liquide est continue alors que l’air présent sous forme de bulles est occlus ; ce qui rend le comportement du sol complexe. L’élaboration d’un modèle de comportement pour ce type de sols nécessite une compréhension approfondie des phénomènes physico-mécaniques intervenant au sein de l’air occlus, de l'eau liquide contenant de l'air dissous et du squelette solide. Dans ce sens, un nouveau modèle hydromécanique a été développé. Ce modèle prend en compte le comportement physico-mécanique et la cinématique propre de chacun des constituants du milieu polyphasé (eau liquide, air dissous, air sous forme gazeuse et matrice solide). En particulier, dans ce modèle, nous tenons compte de la tension de surface, de la migration des phases gazeuse et liquide qui ont des impacts importants sur le comportement mécanique des sols. Le développement du modèle conduit à un système d’équations aux dérivées partielles fortement non linéaire qui peut être résolu numériquement en utilisant la méthode des éléments finis. Ce nouveau modèle a été implémenté dans un code de calcul écrit en C++ « Hydromech », développé à l'origine par Pereira (2005), qui permet de simuler les essais oedométriques suivant différents trajets de chargement hydromécanique. En particulier, ce code de calcul permet de simuler de façon cohérente la transition entre différents régimes de saturation, aussi bien dans l'espace (translation progressive d'une frontière entre deux régimes voisins) que dans le temps (passage d'un régime à l'autre en un point donné) ; ce qui constitue un problème de modélisation difficile. Les études numériques réalisées montrent que ce modèle donne des résultats cohérents et mettent en évidence sa capacité à simuler avec précision le comportement hydromécanique des sols quasi-saturés comportant de l'air occlus.

Le contrôle thermique des composants électroniques embarqués dans les engins spatiaux est souvent assuré par des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire (Loop Heat Pipe (LHP) ou Capillary Pumped Loop (CPL)). La présente étude est centrée sur les évaporateurs des LHP. Ils sont composés principalement d’un bâti métallique, d’une mèche poreuse et de cannelures. Le milieu poreux est initialement saturé en liquide. La charge thermique à évacuer est appliquée sur le bâti entraînant la vaporisation du liquide au sein de la mèche. La vapeur est ensuite récoltée au sein des cannelures pour être évacuée. L’étude est effectuée sur une cellule unitaire de l’évaporateur. Dans le but d’étudier les transferts de masse et de chaleur, un modèle de réseau de pores 3D dit mixte a été développé. Les champs de pression et de température sont calculés à partir des équations macroscopiques tandis que la capillarité est gérée à l’aide d’une approche réseau de pore classique. L’un des avantages d’une telle formulation est de pouvoir accéder à la répartition des phases liquide et vapeur au sein de l’espace poral du milieu poreux. Il a ainsi été mis en évidence qu’une zone diphasique (zone où le liquide et la vapeur coexistent) se met en place pour une large gamme de flux lorsque la vapeur apparait dans la structure capillaire. Cette zone diphasique est localisée sous le bâti métallique et est corrélée avec les meilleures performances thermiques de l’évaporateur. Cette observation diffère fortement de l’hypothèse souvent considérée de la présence d’une zone sèche dans cette région. Trois positions différentes de cannelures ont été étudiées. Il a ainsi pu être mis en évidence que la plus large gamme de flux, pour laquelle les performances de l’évaporateur sont les meilleures, est obtenue lorsque les cannelures sont usinées à la surface extérieure de la mèche. Toujours dans le but d’améliorer les performances thermiques de l’évaporateur, une étude paramétrique a été menée pour mettre en évidence les paramètres qui influencent positivement la conductance de l’évaporateur. Finalement, l’étude de l’influence d’une mèche biporeuse/bidispersée, c’est-à-dire d’un milieu poreux caractérisé par deux tailles de pores/liens différentes, a été menée. La distribution des phases liquide et vapeur au sein de la structure capillaire bidispersée est différente de celle d’un milieu mono-poreux du fait des chemins préférentiels créés par les larges pores. Par ailleurs, l’analyse thermique a montré qu’un tel milieu poreux permet de réduire considérablement la température du bâti ainsi que d’augmenter les performances thermiques de l’évaporateur. Un deuxième modèle basé sur une approche continue a été développé. Cette méthode utilise l’algorithme IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) et est couplé à la résolution du champ de température avec changement de phase. Ce type de résolution permet d’accéder à un champ de saturation. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle réseau de pores mixte. Le modèle continu, moins gourmand en temps de calcul, permet d’envisager des simulations sur une plus grande partie de l’évaporateur.

National audience; PermaFoam est un solveur OpenFOAM ® dédié au problème de transferts couplés hydriques et thermiques dans un sol avec gel/dégel de la phase aqueuse. Il a été développé pour l'étude de la dynamique thermo-hydrique des pergélisols dans un contexte de changement climatique, l’objectif étant de contribuer à la quantification des flux élémentaires des surfaces continentales boréales vers les océans. L'utilisation d'OpenFOAM ® permet de bénéficier d'excellentes performances parallèles, ce qui est indispensable pour traiter les échelles d'intérêts (e.g. : bassin versant expérimental, > 1 km 2 ).

Future operations in space exploration require the ability to store cryogens for long duration. Residual heat loads induce cryogenic propellant vaporization andtank self-pressurization (SP), eventually leading to storage failure for long enough mission duration.This thesis focuses on a control strategy, called Thermodynamic Venting System (TVS), based on a recirculating liquid subcooled injection. The injection results inan ullage condensation, a liquid bath destratification and thus a tank pressure reduction.Experimentally, an original active insulation technique has been set up, yielding a net zero heat flux wall boundary condition. A data base ofself-pressurisation and TVS control experiments has been gathered with this new aparatus.It was used to validate an homogeneous thermodynamic model providing a fast prediction of tank temperature and pressure during control.This model has been extended to discribe the TVS system behaviour including all its components. This full system design tool has been coupled with an optimisationplatform and an optimal TVS design has been established for a demonstration mission.Furthermore, a numerical study has evidenced the weakness of commercial CFD software to simulate phase change, for TVS configuration.A predictive phase change formulation has been set up in a home-made software and validated on a 1D academic case., Les futures missions d'exploration spatiale nécessitent le stockage d'ergols cryogéniques sur de longues durées.Sous l'effet d'entrées thermiques résiduelles, l'ergol se vaporise et le réservoir s'auto-pressurise, pouvant entraîner la rupture du réservoir pour des missionssuffisamment longues. Cette thèse s'intéresse à un système de contrôle, appelé Thermodynamic Venting System (TVS), reposant sur l'injection d'un jet sous-refroidi dans le réservoir.L'injection entraîne la condensation de la vapeur, la déstratification du bain liquide et donc une baisse de pression dans le réservoir.L'étude expérimentale a permis de mettre en place une technique originale d'isolation active générant une condition de paroi à flux de chaleurnet nul. Une base de données expérimentales, d'auto-pressurisation et de contrôle TVS, a été constituée avec ce nouveau dispositif.Elle a notamment permis de valider un modèle thermodynamique homogène permettant de prédire l'évolution de température et depression dans le réservoir. Ce modèle a été étendu pour de façon à décrire le comportement de tous les éléments constitutifs du système TVS.Un outil de dimensionnement du système complet a ainsi été mis en place.En le couplant à une plateforme d'optimisation, un système TVS optimal a pu être établi pour une mission de démonstration.Enfin une étude numérique a permis de mettre en évidence, pour notre cas d'étude, les faiblesses des modèles de changement de phase disponibles dans les solveursCFD commerciaux. Une modélisation prédictive du changement de phase a été mise en place dans un code de calcul recherche puis validée sur uncas académique 1D.

In this work, we are interested in studying heat and mass transfer in water saturated and unsaturated porous medium with a strong heating at the surface. Applications concerned are archaeology, agriculture and geothermal engineering. The first part of this work concerns the improvement of the AHC (Apparent Heat Capacity) method used in the numerical resolution of phase change problem in a homogeneous medium: the phase change temperature interval, over which the heat capacity varies, appears as a key parameter which must be chosen proportional to the mesh size. Accurate and smooth results are obtained thanks to a local refinement of the mesh near the phase change interface. The second part is about the estimation of the thermophysical properties of the soil by inverse problem using both synthetic and experimental data. The Damped Gauss-Newton and the Levenberg-Marquardt algorithms are used to solve the problem. In relation with the AHC method, the choice of the phase change temperature interval caused convergence problems which have been fixed by chaining many inverse problems. The obtained results show good convergence to the desired solution. The third part presents a simple model to calculate the effective thermal conductivity of a granular medium which contains a small quantity of liquid water. The exact shape of the liquid menisci between the grains is calculated at equilibrium. The effective thermal conductivity experiences a hysteresis behavior with respect to the liquid volume. A future work that concerns a new unsaturated model, restricted to the pendular regime and detailed at the end of this thesis, should be able to use this result., L'étude du transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux saturés et insaturés fortement chauffés à leur surface possèdent de nombreuses applications, notamment en archéologie, en agriculture et en géothermie. La première partie de ce travail concerne l'amélioration de la méthode AHC (Accumulation de chaleur latente) qui permet de traiter le changement de phase, dans un milieu homogène : l'intervalle de changement de température au moment du changement de phase apparaît comme un paramètre important, et il doit être choisi proportionnel à la taille des mailles. Des résultats à la fois précis et lisses sont obtenus grâce à un raffinement du maillage localisé près de l'interface de changement de phase. La deuxième partie se rapporte à l'estimation des propriétés thermophysiques du sol par problème inverse à l'aide de données à la fois synthétiques et expérimentales. La méthode de Gauss-Newton avec relaxation et l'algorithme de Levenberg-Marquardt sont utilisés pour résoudre le problème inverse. Le choix de l'intervalle de température de la méthode AHC apparaît crucial : la convergence n'est obtenue parfois qu'au prix d'un enchaînement de plusieurs problèmes inverses. La troisième partie présente un modèle simple pour calculer la conductivité thermique effective d'un milieu granulaire contenant une faible quantité d'eau liquide. La forme exacte de ces ménisques est calculée à l'équilibre. Les résultats montrent un phénomène très net d'hystérésis quand on étudie la variation de la conductivité thermique effective en fonction de la quantité d'eau liquide ; un futur travail concernant un nouveau modèle insaturé, limité au cas du régime pendulaire et présenté à la fin de cette thèse, devrait pouvoir utiliser ces résultats.

In this work, we are interested in studying heat and mass transfer in water saturated and unsaturated porous medium with a strong heating at the surface. Applications concerned are archaeology, agriculture and geothermal engineering. The first part of this work concerns the improvement of the AHC (Apparent Heat Capacity) method used in the numerical resolution of phase change problem in a homogeneous medium: the phase change temperature interval, over which the heat capacity varies, appears as a key parameter which must be chosen proportional to the mesh size. Accurate and smooth results are obtained thanks to a local refinement of the mesh near the phase change interface. The second part is about the estimation of the thermophysical properties of the soil by inverse problem using both synthetic and experimental data. The Damped Gauss-Newton and the Levenberg-Marquardt algorithms are used to solve the problem. In relation with the AHC method, the choice of the phase change temperature interval caused convergence problems which have been fixed by chaining many inverse problems. The obtained results show good convergence to the desired solution. The third part presents a simple model to calculate the effective thermal conductivity of a granular medium which contains a small quantity of liquid water. The exact shape of the liquid menisci between the grains is calculated at equilibrium. The effective thermal conductivity experiences a hysteresis behavior with respect to the liquid volume. A future work that concerns a new unsaturated model, restricted to the pendular regime and detailed at the end of this thesis, should be able to use this result.; L'étude du transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux saturés et insaturés fortement chauffés à leur surface possèdent de nombreuses applications, notamment en archéologie, en agriculture et en géothermie. La première partie de ce travail concerne l'amélioration de la méthode AHC (Accumulation de chaleur latente) qui permet de traiter le changement de phase, dans un milieu homogène : l'intervalle de changement de température au moment du changement de phase apparaît comme un paramètre important, et il doit être choisi proportionnel à la taille des mailles. Des résultats à la fois précis et lisses sont obtenus grâce à un raffinement du maillage localisé près de l'interface de changement de phase. La deuxième partie se rapporte à l'estimation des propriétés thermophysiques du sol par problème inverse à l'aide de données à la fois synthétiques et expérimentales. La méthode de Gauss-Newton avec relaxation et l'algorithme de Levenberg-Marquardt sont utilisés pour résoudre le problème inverse. Le choix de l'intervalle de température de la méthode AHC apparaît crucial : la convergence n'est obtenue parfois qu'au prix d'un enchaînement de plusieurs problèmes inverses. La troisième partie présente un modèle simple pour calculer la conductivité thermique effective d'un milieu granulaire contenant une faible quantité d'eau liquide. La forme exacte de ces ménisques est calculée à l'équilibre. Les résultats montrent un phénomène très net d'hystérésis quand on étudie la variation de la conductivité thermique effective en fonction de la quantité d'eau liquide ; un futur travail concernant un nouveau modèle insaturé, limité au cas du régime pendulaire et présenté à la fin de cette thèse, devrait pouvoir utiliser ces résultats.

The thermal policies have been kept to fit the new economic in a global context particularly in terms of buildings energy efficiency. To meet these challenges, different technologies have been used such as the Phase Change Materials (PCMs) which have the ability to store and release energy. PCMs are generally used with conventional building materials in order to improve their thermal inertia and provide better comfort to users. To enhance the properties of the final composite, the PCMs thermo-physical properties must be sufficiently controlled. In this context, this thesis is a contribution aimed to develop specific methodologies for better characterization of PCM and PCM-concrete. Different experimental approaches will be presented for the identification of PCMs thermophysical properties and to identify the effect of the incorporation and the damage of these materials on the thermal and mechanical properties of concrete. A multiscale modelling considering the average of experimental thermal properties was applied to predict the thermal behaviour of PCMs-concrete. A probabilistic study of experimental uncertainties will be also conducted to assess the level of confidence of the impact of PCM on the thermodynamic properties of PCM-concrete. A numerical study was conducted using experimental data to study the heat transfer through a PCM-concrete wall; A l'heure actuelle, les nouvelles contraintes de la réglementation thermique en vigueur ne cessent de s'adapter au contexte économique global pour lequel la recherche d'une efficacité énergétique dans le bâtiment est devenue incontournable. Pour répondre à ces défis, des Matériaux intelligents à Changement de Phase (MCP) ont fait leur apparition sur le marché de la construction. Grâce à leur capacité de stockage de l'énergie, les MCP sont de plus en plus associés aux matériaux de construction classiques (béton, plâtre, etc.) afin d'améliorer leur inertie thermique et apporter un meilleur confort aux usagers. Pour ce faire, les propriétés thermophysiques intrinsèques aux MCP doivent être suffisamment maitrisées afin de pouvoir contrôler les propriétés du produit composite final. Dans ce contexte, cette thèse est une contribution ayant pour objectif de développer des méthodologies spécifiques pour une meilleure caractérisation des MCP et des béton-MCP. Une panoplie d'approches expérimentales a été présentée pour l'identification des propriétés thermophysiques des MCP et pour identifier l'effet d'incorporation et de l'endommagement de ces matériaux sur les propriétés thermiques et mécaniques de béton. Plusieurs modèles d'homogénéisation ont été utilisés afin de prédire le comportement thermique des bétons-MCP en utilisant les propriétés thermiques moyennées obtenues expérimentalement. Une étude probabiliste paramétrique a été menée afin de prendre en compte les incertitudes liées à la dispersion aléatoire des mesures expérimentales de propriétés thermiques du béton-MCP. Les résultats issus des essais expérimentaux ont été intégrés dans le cadre d'une étude numérique par la Méthode des Volumes finis (MVF) afin d'étudier le mécanisme de transfert de chaleur à travers une paroi en béton-MCP

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Ce papier présente une étude numérique d'un écoulement de jet axisymétrique à bulles à l'aide d'un modèle eulérien-eulérien à deux fluides implanté dans le code CFX. Le modèle à deux fluides présentés dans Chahed et al (2003), met l'accent sur deux aspects des interactions entre phases : d'une part, dans la formulation de la force interfaciale moyenne on retient les corrélations des fluctuations de vitesse de chaque phase associées au terme de masse ajoutée ; d'autre part, le tenseur de Reynolds de la phase continue est décomposé en une partie turbulente et une partie pseudo-turbulente, et chaque partie est prédéterminée par une équation de transport. Le modèle est appliqué à l'écoulement de jet axisymétrique à bulles et les résultats numériques sont confrontés aux expériences de Sun et al (1985). Les résultats confirment le rôle important de la contribution turbulente de la masse ajoutée sur la dynamique de la phase dispersée. On montre en particulier que la prise en compte de cette contribution permet d'expliquer et de reproduire la vitesse relative négative observée dans les zones fortement cisaillées du jet vertical.

The object of this thesis is an experimental study of vapor bubble dynamics in sub-cooled nucleate boiling. The test section is locally heated by focusing a laser beam: heat fluxes from 1e4 to 1.5e6 W/m2 and water temperature between 100 and 88°C have been considered. Three boiling regimes have been observed. Under saturated conditions and with low heat fluxes a developed nucleate boiling regime has been observed. Under higher sub-cooling and still with low heat fluxes an equilibrium regime has been observed in which the liquid flowrate evaporating at the bubble base is compensated by the vapor condensing flowrate at bubble top. A third regime have been observed at high heat fluxes for all water conditions: it is characterized by the formation of a large dry spot on the heated surface that keeps the nucleation site dry after bubble detachment. The condensation phase starts after bubble detachment. Bubble equivalent radius at detachment varies between 1 and 2.5 mm. Bubble properties have been measured and non-dimensional groups have been used to characterize bubble dynamics. Capillary waves have been observed on the bubble surface thanks to high-speed images acquisition. Two main phenomena have been proposed to explain capillary waves effects on bubble condensation: increasing of the phases interface area and decreasing of vapor bubble translation velocity, because of the increased drag force on the deformed bubble., Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la dynamique d'une bulle de vapeur créée en conditions d'ébullition nucléée dans un milieu sous-refroidi. La section d'essai est chauffée localement par focalisation d'un faisceau laser : les flux thermiques considérés varient entre 1e4 et 1.5e6 W/m2 et la température de l'eau varie entre 100 et 88°C.Trois régimes d'ébullition ont été observés. En conditions de saturation ou de faible sous-refroidissement et avec un faible flux thermique on observe un régime d'ébullition nucléée développée. Pour des sous-refroidissements supérieurs et des flux thermiques pas très élevés on observe un régime d'équilibre entre la masse de liquide évaporée à la base de la bulle et la quantité de vapeur condensée sur sa surface supérieure. Le troisième régime observé correspond à des flux thermiques élevés : sa caractéristique principale est la formation d'une poche de vapeur sur la surface chauffée qui reste attachée à la surface après la phase détachement de la bulle.La phase de condensation commence après le détachement de la bulle. Le rayon de détachement des bulles varie entre 1 et 2.5 mm. La mesure des propriétés des bulles a permis de les caractériser en termes de nombres adimensionnels. L'acquisition d'images à haute fréquence a permis d'observer la propagation d'ondes capillaires à la surface des bulles. Deux effets principaux de la propagation d'ondes capillaires sur la vitesse de condensation de la bulle ont été observés : l'augmentation de la surface d'échange entre les phases liquide et vapeur et la diminution de la vitesse de translation de la bulle, qui serait soumise à une trainée supérieure à cause de sa déformation.

Un verrou technologique des missions spatiales de longue durée utilisant une propulsion cryogéniqueest l’auto-pressurisation des réservoirs d’ergols, soumis au rayonnement solaire direct ou à des entréesthermiques. Cette auto-pressurisation doit être contrôlée pour assurer la pérennité de la mission, touten minimisant la perte d’ergols associée au contrôle. La méthode Thermodynamic Venting System(TVS) prélève une fraction liquide dans le réservoir, la refroidit dans un échangeur de chaleur puisla réinjecte dans le réservoir sous forme d’un spray sous-refroidi. Sous l’effet de l’injection, lavapeur condense, le bain liquide se déstratifie et la pression baisse. Le dispositif est étudié, à find’optimisation, à la fois expérimentalement sur un banc réalisé en utilisant un fluide de similitude(Novec 1230) et numériquement grâce à un solveur combinant compressibilité artificielle, méthodeVOF pour le suivi d’interface et prise en compte du transfert de masse à l’interface liquide / vapeurvia un bilan thermique., A technological barrier for long duration space missions using cryogenic propulsion is the controlof propellant tank self-pressurization. Since the liquid propellant submitted to solar fluxes tends tovaporize, the pressure rise must be controlled to prevent mission failure. The Thermodynamic VentSystem (TVS) control strategy pumps some liquid propellant from the tank, cools it down through aheat exchanger and re-injects it as a sub-cooled spray inside the tank. The tank pressure drops due tovapor condensation and liquid bath destratification. The TVS strategy is studied both experimentallyusing an on-ground set up that works with a surrogate fluid (Novec1230 by 3M) and numericallywith a solver combining artificial compressibility, a VOF approach for interface tracking and a sharpinterface phase change model.

International audience; The durability of Civil Engineering materials relates to multi-physics and multi-scale issues. The improvement of cement-based materials at resisting environmental aggressive conditions depends mainly upon the better understanding of the hydro-mechanical couplings to which they are subjected. The paper addresses the mechanical behaviour of cement-based materials subjected to drying and to the frost action. It is shown how Poromechanics, by combining Thermodynamics, Mechanics of solids and micro-macro considerations, provides a relevant framework in order to understand and to predict the mechanical behaviour of cement-based materials subjected to the various internal actions of water.; La durabilité des matériaux de génie civil relève d'enjeux multi-échelles et multi-physiques. L'amélioration des propriétés des matériaux à base ciment à résister aux agressions environnementales dépend principalement d'une meilleure compréhension des couplages hydro-mécaniques auxquels ils sont soumis. Cet article traite du comportement des matériaux à base ciment soumis au séchage et à l'action du gel. Il est montré comment la poromécanique, démarche combinant la thermodynamique, la mécanique du solide et des considérations micro-macro, fournit un cadre adéquat pour comprendre et prédire le comportement mécanique des matériaux à base cimentaire soumis aux actions internes très diverses de l'eau.

The main objective of the thesis is to improve our knowledge about dry snow metamorphismand its physical description, at the microscopic (ice grains and pores) andmacroscopic (snow layer) scales. First, the homogenization method of multiple scaleexpansions is applied for the first time to the physics involved in dry snow metamorphism.This way, we present the equivalent macroscopic descriptions of heat and vaportransfers derived from the physical description at micro-scale. We consider at the grainscale diffusion, conduction, and forced convection, coupled to phase changes (sublimationand deposition). Second, the effective properties of transport arising in the macroscopicdescriptions (effective thermal conductivity, effective coefficient of vapor diffusion, andintrinsic permeability) are estimated from 3D images of snow spanning the whole range ofdensity and snow types. Finally, the monitoring of metamorphism with time is considered.The relationship between the microstructure and the effective properties of a snow layerare investigated during temperature gradient metamorphism using 3D images. We presentthen a new cryogenic cell that we developed to monitor the grain to grain evolution of asnow sample by time-lapse tomography during the metamorphism, and which operates atroom temperature.; L’objectif général de la thèse est de contribuer à l’amélioration de nos connaissances sur les métamorphoses de la neige sèche et sur sa description physique, à l’échelle microscopique (grains de glace et pores) et macroscopique (couche de neige). Dans un premier temps,la méthode d’homogénéisation basée sur les développements asymptotiques à échelles multiples est appliquée à la physique des métamorphoses de la neige sèche. On présente ainsi les descriptions macroscopiques équivalentes du transport de vapeur et de chaleur dérivées à partir de la description de la physique à micro-échelle. On considère à l’échelle des grains la diffusion, la conduction, et la convection forcée, couplées aux changements de phase (sublimation et déposition). Dans un second temps, les propriétés effectives de transport impliquées dans les descriptions macroscopiques (conductivité thermique effective, coefficient effectif de diffusion de vapeur et perméabilité intrinsèque) sont estimées à l’aide d’images 3D de neige couvrant toute la gamme de masse volumique et de types de neige. Enfin, on s’intéresse au suivi temporel des métamorphoses. Les liens entre la microstructure et les propriétés effectives d’une couche de neige sont mis en évidence au cours d’une métamorphose de gradient de température en utilisant des images 3D.On présente ensuite une cellule cryogénique que nous avons mise au point pour le suivi grains à grains par tomographie des évolutions d’un échantillon de neige au cours des métamorphoses, et qui s’utilise à température ambiante.