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La combustion décarbonée est considérée à moyen terme pour neutraliser les émissions de carbone de plusieurs processus industriels et moyens de transport. La combustion de l'hydrogène est l'une des options envisagées aujourd'hui. Une autre alternative possible est l'oxycombustion, i.e. une combustion avec de l'oxygène pur au lieu de l'air. Ce processus n'élimine pas directement les émissions de \chemform{CO_2}, mais sans l'azote de l'air, la condensation de la vapeur d'eau permet de capturer le \chemform{CO_2} avant qu'il ne soit libéré dans l'environnement. Ces deux types de combustion soulèvent de nombreux défis scientifiques et techniques. Ils sont très réactifs et ont des températures de flamme plus élevées que celle des mélanges hydrocarbures-air classiques. Ceci entraîne des problèmes tels que la stabilisation de la flamme ou le retour de flamme. De plus, pour l'hydrogène, cela augmente considérablement les émissions de polluants comme les oxydes d'azote (NOx). Ces NOx sont dangereux pour la santé humaine et contribuent au réchauffement climatique et aux pluies acides. Leur émission est donc très contrôlée. Pour réduire la réactivité de ces mélanges et les problèmes associées, il est possible de diluer les gaz frais avec des gaz brûlés refroidis : de la vapeur de \chemform{CO_2} pour les oxyflammes de méthane et de la vapeur d'eau pour les flammes d'hydrogène. En général, les simulations de flammes libres ne prennent pas en compte le rayonnement thermique. Cependant, dans ces flammes diluées, sa prise en compte dans les simulations numériques peut s'avérer essentielle. En effet, la présence de vapeur d'eau ou de vapeur de \chemform{CO_2} dans les gaz frais et leur capacité à absorber une partie du rayonnement émis par les gaz brûlés conduit à un préchauffage du mélange en amont du front de flamme et à une augmentation de la vitesse de flamme laminaire non étirée. Cette vitesse est une caractéristique essentielle d'une flamme. Elle caractérise sa réactivité et sa stabilité et est souvent utilisée pour comparer différentes conditions ainsi que comme brique de modélisation dans de nombreux modèles. Elle doit donc être correctement simulée. Dans le cas des flammes diluées, la détermination numérique précise de cette vitesse nécessite un modèle de rayonnement thermique correct en plus d'une description détaillée du transport et de la chimie. Dans ce cadre, cette étude se concentre sur le couplage entre le rayonnement thermique et la combustion. Tout d'abord, un modèle simpliste de gaz gris est utilisé pour comprendre les différents phénomènes mis en jeu dans ce couplage. Ensuite, avec des propriétés de gaz détaillées, plusieurs flammes 1D H2-Air-\chemform{H_2O} sont simulées. L'impact de différents paramètres (richesse, température initiale, pression, niveau de dilution) sur le préchauffage des gaz frais, les profils d'espèces et de température, ainsi que la vitesse de flamme est étudié. Enfin, une flamme d'oxycombustion \chemform{CH_4}-O2-\chemform{CO_2} est simulée et l'effet du rayonnement est comparé à celui observé sur les flammes d'hydrogène diluées.

Optical interference filters, most often consisting of a stack of dielectric layers deposited on a glass substrate, perform essential functions in any current optical system (antireflection, polarizers, selectors, separators, mirrors, equalizers ...). In general, the phenomena of thermal origin in these filters, which appear when they are subjected to laser flux, cannot be neglected. On the one hand, they can be responsible for many problems ranging from the degradation of optical performance of the filter to its irreversible damage. On the other hand, they are at the basis of various methods of characterizing the absorption of filters, such as photo-thermal deflection, common-path interferometry, or Lock-In Thermography.However, describing these phenomena with precision remains a difficult step. Existing models are often incomplete, based on approximations or are not adapted to the field of interference filters. The objective of this thesis is therefore first to propose theoretical tools to accurately model the photo-induced thermal phenomena in optical thin films, in arbitrary illumination regime (pulsed, clocked, continuous).These photo-induced processes originate from the absorption of multi-dielectric components, whose bulk density is the heat source responsible for a temperature rise in the component. Thus, the photo-induced temperature is the first thermal phenomenon studied in this thesis and a complete description based on layer and illumination parameters is proposed. It is mainly based on an analogy between optics and thermics, allowing to obtain an analytical model of the temperature. This procedure allows to better target the influence of the different input parameters, and to further address the phenomena of laser damage or self-organization of nanoparticles.The temperature increase leads to a modification of the thermal radiation of the filter. Very often, the modeling of this radiation in monochromatic illumination regime is reduced to a calculation of emissivity in connection with Kirchhoff's law, which stipulates its equality with the absorption. However, this method is insufficient when we want to go further into the details of the balance of thermal processes (evanescent waves, guided modes by coupling, transient regimes). Thus, in this thesis, we propose a direct modeling of photo-induced thermal radiation. This means that we rely on the various works of statistical physics that allow to link the thermal agitation of particles to volume densities of electric current. These currents are inserted into Maxwell's equations to obtain the electromagnetic field radiated in free space, called thermal radiation. The method of resolution is based on the work related to luminescent microcavities and the volume scattering of light in filters.The resolution method also allows the design filters that confine and exalt their own thermal radiation in a small spectral or angular bandwidth. More broadly, this opens the way to the control of thermal radiation by multilayer planar structures, which is an important research area in the Defense and Energy sectors. An analytical synthesis method is proposed to generate giant field exaltations in microcavities, with application to thermal radiation.Finally, this precise analysis of the thermal radiation allows, for the first time, to precisely quantify the part of the photo-induced thermal radiation that is transferred as guided modes to the multi-dielectric structure.; Les filtres optiques interférentiels, constitués le plus souvent d’un empilement de couches diélectriques déposées sur un substrat de verre, réalisent des fonctions essentielles à tout système optique actuel (antireflets, polariseurs, sélecteurs, dichroïques, séparateurs, miroirs, égaliseurs…). De façon générale, les phénomènes d’origine thermique dans ces filtres, qui apparaissent notamment lorsqu’ils sont soumis à des flux lasers, ne peuvent pas être négligés. D’une part, ils peuvent être responsables de nombreux problèmes allant de la dégradation des performances optiques du filtre à son endommagement irréversible. Et d’autre part, ils sont à la base des différents procédés de caractérisation de l’absorption des filtres, comme la déflexion photo-thermique, l’interférométrie photo-thermique ou encore la thermographie par détection synchrone.Cependant, décrire avec précision ces phénomènes demeure une étape difficile. Les modèles existants sont souvent incomplets, reposent sur des approximations ou ne sont pas adaptés au domaine des filtres interférentiels. L’objectif de cette thèse est donc en premier lieu de proposer des outils théoriques permettant de modéliser avec précision les phénomènes thermiques photo-induits dans les couches minces optiques, en régime arbitraire d’illumination (pulsé, cadencé, continu).Ces processus photo-induits trouvent leur origine dans l’absorption des composants multi-diélectriques, dont la densité volumique constitue la source de chaleur responsable d’une élévation de température dans le composant. Ainsi, la température photo-induite est le premier phénomène thermique étudié dans cette thèse et une description complète à partir des paramètres des couches et de l’éclairement est proposée. Elle s’appuie principalement sur une analogie entre l’optique et la thermique, permettant d’obtenir un modèle analytique de la température. Cette procédure permet de mieux cibler l’influence des différents paramètres d’entrée, et d’aborder plus avant les phénomènes d’endommagement laser ou d’auto-organisation de nanoparticules.L’élévation de température donne lieu à une modification du rayonnement thermique du filtre. Bien souvent, la modélisation de ce rayonnement en régime d’éclairement monochromatique est ramenée à un calcul d’émissivité en lien avec la loi de Kirchhoff, qui stipule son égalité avec l’absorption. Cependant, cette méthode s’avère insuffisante lorsque l’on veut aller plus loin dans le détail du bilan des processus thermiques (ondes évanescentes, modes guidés par couplage, régimes transitoires). Ainsi dans ce travail de thèse, on propose une modélisation directe du rayonnement thermique photo-induit. Cela signifie que l’on s’appuie sur les différents travaux de la physique statistique qui permettent de relier l’agitation thermique des particules à des densités volumiques de courant électrique. Ces courants sont insérés dans les équations de Maxwell pour obtenir le champ électromagnétique rayonné en espace libre, appelé rayonnement thermique. La méthode de résolution s’appuie sur les travaux en lien avec les microcavités luminescentes et la diffusion volumique de la lumière dans les filtres.La méthode de résolution permet également de concevoir des filtres qui confinent et exaltent leur propre rayonnement thermique dans une faible bande spectrale ou angulaire. De manière plus large, cela ouvre la voie au contrôle du rayonnement thermique par des cavités planaires multicouches, qui constitue un important domaine de recherche dans les secteurs de la Défense et de l’Energie. Une méthode analytique de synthèse est proposée pour générer des exaltations géantes de champ en microcavité, avec application au rayonnement thermique.Enfin, cette analyse précise du rayonnement thermique permet, pour la première fois, de quantifier avec précision la part du rayonnement thermique photo-induit qui est transférée sous forme de modes guidés à la structure multi-diélectrique.

Thermal comfort of pedestrians, the urban heat island and energy consumption of buildings are the three major thermal problems of urban physics. They are strongly coupled and depend on building interactions : wind, shading, multiple reflections, infrared emission. Their study requires the development of tools capable of quantifying precisely these interactions in close connection with the geometry of the scene.This thesis focuses on the conductive and radiative aspects. The simulations are performed with the finite element solver Cast3M. The proposed framework allows to address different scales (room, building, street, neighbourhood). The main contributions concern : the use of structured meshes (hexahedrons and prisms), the consideration of direct transmissions and specular reflections thanks to the extended view factors, the graphical representation of the results. The quantities of interest are the indoor air temperature of buildings (inhabitant comfort) and the mean radiant temperature (pedestrian comfort).In the chapter dealing with the method, geometries of increasing complexity are used to introduce the pre- and post-processing functions: the construction of the mesh, the calculation of the convective and radiative boundary conditions, as well as the different forms of representation of the results.The first application presents the study of a street in Bayonne. It allows to compare the method with a measurement campaign (simulated and measured thermograms). A discussion is held on the position of the insulation (inside or outside). The outside insulation reduces thermal bridges, but increases the discomfort of pedestrians.The second application is carried out at the neighbourhood level and deals mainly with thermal inertia. It underlines the importance of its distribution in relation to solar radiation.This thesis shows that the finite element method allows to better understand the different thermal problems of urban physics and leads to a fine analysis of the quantities of interest.; El confort térmico de los peatones, la isla de calor y el consumo energético de los edificios constituyen los tres grandes problemas térmicos de la física urbana. Están fuertemente vinculados y dependen de las interacciones entre edificios: viento, sombras, reflejos múltiples, emisión de infrarrojos. Su estudio requiere el desarrollo de herramientas capaces de cuantificar con precisión estas interacciones en estrecha conexión con la geometría de la escena.Esta tesis se enfoca en los aspectos conductivos y radiativos. Las simulaciones se llevan a cabo con el programa de elementos finitos Cast3M. El marco propuesto permite abordar diferentes escalas (habitación, edificio, calle, barrio). Las principales contribuciones conciernen : el uso de mallados estructurados (hexaedros y prismas), la toma en cuenta de transmisiones directas y reflexiones especulares gracias a los factores de vista extendidos, la representación gráfica de los resultados. Las magnitudes de interés son la temperatura del aire en el interior de los edificios (confort del habitante) y la temperatura media radiante (confort del peatón).En el capítulo que trata del método, unas geometrías de complejidad creciente permiten introducir las funciones de preprocesamiento y posprocesamiento: la construcción del mallado, el cálculo de las condiciones de frontera convectivas y radiativas, así como las diversas formas de representación de los resultados.La primera aplicación presenta el estudio de una calle de Bayona. Permite comparar el método con una campaña de medición (termografías simuladas y medidas). Se lleva a cabo una discusión sobre la posición del aislamiento (interior o exterior). El aislamiento exterior reduce los puentes térmicos, pero aumenta la incomodidad de los peatones.La segunda aplicación se lleva a cabo a nivel de barrio y se ocupa principalmente de la inercia térmica. Destaca la importancia de su distribución en relación a la radiación solar.Esta tesis muestra que el método de los elementos finitos permite entender los diversos problemas térmicos de la física urbana y conduce a un análisis detallado de las cantidades de interés.; Le confort thermique des piétons, l’îlot de chaleur urbain et les consommations énergétiques des bâtiments constituent les trois grands problèmes thermiques de la physique urbaine. Ils sont fortement couplés et dépendent des interactions entre les bâtiments : vent, ombrage, réflexions multiples, émission infrarouge. Leur étude nécessite de développer des outils capables de quantifier précisément ces interactions en lien étroit avec la géométrie de la scène.Dans cette thèse, l’accent est porté sur les aspects conductifs et radiatifs. Les simulations sont réalisées avec le solveur éléments finis Cast3M. Le cadre proposé permet d’aborder différentes échelles (chambre, bâtiment, rue, quartier). Les principaux apports concernent : l’utilisation de maillages structurés (hexaèdres et prismes), la prise en compte des transmissions directes et des réflexions spéculaires grâce aux facteurs de vue étendus, la représentation graphique des résultats. Les quantités d’intérêt sont la température de l’air intérieur des bâtiments (confort de l’habitant) et la température moyenne radiante (confort du piéton).Dans le chapitre traitant de la méthode, des géométries de complexité croissante permettent d’introduire les fonctions de prétraitement et de post-traitement : la construction du maillage, le calcul des conditions aux limites convectives et radiatives, ainsi que les différentes formes de représentation des résultats.La première application présente l’étude d’une rue de Bayonne. Elle permet de comparer la méthode à une campagne de mesures (thermographies simulées et mesurées). Une discussion est menée sur la position de l’isolant (intérieure ou extérieure). L’isolation par l’extérieur permet de réduire les ponts thermiques, mais augmente l’inconfort des piétons.La seconde application est réalisée à l’échelle du quartier et traite principalement de l’inertie thermique. Elle souligne l’importance de sa distribution en relation avec le rayonnement solaire.Cette thèse montre que la méthode des éléments finis permet d’appréhender les différents problèmes thermiques de la physique urbaine et conduit à une analyse fine des quantités d’intérêt.

La réduction de modèle par la méthode AROMM (Amalgam Reduced Order Modal Model) permet une forte réduction du temps de simulation tout en permettant un accès à l'ensemble de la scène thermique avec une prise en compte des phénomènes radiatifs. D'autre part, des travaux sur l'identification avec cette même méthode ont montré leur intérêt pour l'identification de flux de chaleur sur un disque de frein. Dans la continuité de ces travaux, nous proposons ici d'utiliser la méthode AROMM, afin (i) d'identifier une source radiative variable dans le temps à partir de quelques points de mesures avec un modèle d'ordre faible, (ii) de reconstruire la scène thermique complète avec un modèle réduit d'un ordre plus important. L'exemple traité ici porte sur un four industriel dans lequel une pièce en titane est chauffée par deux tubes radiants ayant une température variable dans le temps comprise entre 293 et 1173K. Les données d'entrées pour l'identification sont les températures de deux points de mesure sur le four, caractérisées par un bruit blanc de 2K. A partir d'un modèle réduit d'ordre 20, la source rayonnante est identifiée en temps réel sur une fenêtre de temps glissante via une procédure de minimisation utilisant l'algorithme de région de confiance. Il est alors possible de reconstruire toujours en temps réel le champ de température complet sur l'intégralité de la pièce en titane à l'aide d'un modèle réduit d'ordre 150. Le champ erreur obtenu se distingue par une erreur moyenne inférieure à 2K et une erreur maximum ponctuelle en temps et en espace inférieure à 40K.

La méthode AROMM (Amalgam Reduced Order Modal Model) est une technique de réduction modale qui permet d'obtenir rapidement l'évolution de la température en fonction du temps en tout point d'une géométrie qui peut être complexe. Cette méthode utilise la décomposition du champ de température recherché sur une base modale de taille réduite calculée préalablement et adaptée à tout type de problèmes non linéaires. L'étude présentée propose d'appliquer cette technique pour une scène thermique caractérisée par un couplage entre un problème de diffusion-convection des parties solides en mouvement (équation de la chaleur) et le rayonnement entre les différentes surfaces de la scène thermique (par la méthode de radiosité). L'application traitée est un problème de four de recuit de bandes métalliques, pour lequel la géométrie simplifiée d'une petite partie du four fait l'objet d'une simulation numérique. Dans cette portion de four, une bande en acier est mise en mouvement par un rouleau et est chauffée par rayonnement à l'aide de quatre tubes radiants maintenus à hautes température (900$^{\circ}$C). Un écran de protection permet de protéger le rouleau du flux radiatif. Enfin, le contact imparfait entre la bande et le rouleau est modélisé par un couplage par zone pour une prise en compte de la résistance thermique de contact. La base modale est construite à partir d'un problème de référence simplifié, l'ensemble des surfaces sont considérées comme des corps noirs et la vitesse de la bande est considérée comme fixe. Les résultats obtenus montrent la pertinence de cette technique en présence de phénomènes couplés de conduction dans les parois, de mouvement de la bande et du rouleau, et de rayonnement entre les différentes surfaces. Les premiers résultats amènent un gain en temps de calcul de l'ordre de 50 par rapport à une technique classique utilisant les éléments finis, pour une erreur de température maximum sur la bande inférieure à 2\%.

Urbanisation has been a growing trend for several decades. With the rapidly increasing population, urban areas expand significantly. At the same time, problems related to a higher energy demand and local climate changes have been disturbing the entire humankind. During the last two decades, thermal regulation has been well developed in France for all the new constructions, as well as for building retrofit. The objectives are to reduce the energy consumption principally due to heating and to increase the building thermal comfort especially in Summer. Usually, the effort is focused on increasing the building insulation and air sealing, in order to reduce the need of air heating or air conditioning. The calculation of the energy consumption is often based on tabulated weather data outside buildings: some of the calculation parameters thus stay the same during a part of or the whole simulation period or are not specific to the location of interest (e.g. urban areas). Real urban conditions are far more complex than what is usually assumed in the simulations. Furthermore, a precise knowledge of the real operating conditions outside the buildings is difficult to ensure due to the interactions between the buildings and the urban environment, through a large range of possible heat and mass transfer phenomena, together with the complex urban morphology. The objective of this PhD work is to develop a tool devoted to an accurate description of the thermal environment outside of buildings. Among the three energy transfer modes considered here, i.e. conduction, convection and radiation, we focus on thermal radiation which is usually the most time consuming and less detailed part in building studies. The main idea is to put the widely used assumption of transparent air into perspective for thermal building simulations.With several air absorption models and different algorithms to evaluate the radiative transfer in the urban area, we are able to analyse the influence of some modeling assumptions (in particular related to thermal radiation) and compare their orders of magnitude. The results of the numerical simulations exhibit a difference of 2°C on the building surface temperature in Summer, which suggests that the absorption of thermal radiation by air needs to be taken into account for accurate heat budget predictions., Avec l'augmentation rapide de la population, les zones urbaines se développent très rapidement. Les problèmes liés à la demande d'énergie et aux changements climatiques dérangent toute l'humanité à la fois. Depuis l'année 1974, la régulation thermique est bien développée en France pour tous les bâtiments. L’objectif est de réduire la consommation d'énergie principalement liée au chauffage et d'augmenter le confort thermique des bâtiments, notamment en été. Le calcul de la consommation d'énergie est souvent basé sur des données météorologiques mesurées à l'extérieur des bâtiments. Mais les conditions urbaines réelles sont beaucoup plus complexes que ce que l'on suppose habituellement dans les simulations. De plus, une connaissance précise des conditions réelles à l'extérieur des bâtiments est difficile à assurer en raison des interactions entre les bâtiments et l'environnement urbain, avec une grand quantité de transfert de chaleur et de masse, ainsi que la morphologie urbaine complexe. L'objectif de cette thèse est de développer un outil dédié à une description précise de l'environnement thermique à l'extérieur des bâtiments.Parmi les trois modes majeurs de transfert d'énergie: la conduction, la convection et le rayonnement, nous nous concentrons sur le rayonnement thermique qui est généralement le plus coûteux en temps de calcul et le moins détaillé dans les études de bâtiments. L'idée principale est de faire la simulation avec differents modèles d'air non transparent, afin d'analyser l'influence de certaines hypothèses de modélisation (liées notamment au rayonnement thermique) et de comparer leurs ordres de grandeur. Les résultats des simulations numériques montrent une différence de 2 degrés sur la température de surface du bâtiment en été, ce qui suggère que l'absorption du rayonnement thermique par l'air doit être prise en compte pour des prévisions précises du bilan thermique à l'échelle du bâtiment.

This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers.; Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz.

This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers., Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz.

Thermophotovoltaic (TPV) cells convert the energy of photons emitted by hot bodies into electrical energy. When the distance between two radiating bodies becomes smaller than the characteristic wavelength of thermal radiation (~ 10 µm at room temperature and ~ 2.3 µm near 1000 °C), radiative heat transfer can be enhanced by several orders of magnitude due to the contribution of evanescent waves. This property has an interest for energy harvesting because it should increase the electrical power generated by a TPV cell located in the near field of a radiative thermal emitter. With the aim of confirming this prediction, this thesis consisted in the development of an experimental setup for performing near-field TPV measurements. The setup is based on a scanning thermal microscopy (SThM) design involving piezoelectric actuators. The emitter is a microsphere made of graphite and glued on a SThM cantilever heated by Joule effect up to 1200 K and the TPV cell made of indium antimonide (InSb), which cannot operate above 100 K, is placed on the cold finger of a cryostat. Near-field radiative heat flux transferred from the emitter is measured independently from the electrical power generated by the cell. A study of different parameters provided the experimental proof of the near-field enhancement of the electrical power density generated in the near field by a factor up to 6 compared with the prediction based on the macroscale theory of thermal radiation. Output electrical power densities reach 7.5 kW.m-2 and conversion efficiencies ~20 %. In addition, near-field radiative heat transfer experiments were performed in various configurations (materials, geometries and temperatures). The near-field radiative power follows power laws different from those of the far field. These results highlight the interest of near-field effects on radiative heat transfer for applications.; Une cellule thermophotovoltaïque (TPV) convertit l’énergie de photons émis par des corps chauds en énergie électrique. Lorsque la distance séparant deux corps rayonnants devient inférieure à la longueur d’onde caractéristique du rayonnement thermique (~10 µm à température ambiante, ~2,3 µm vers 1000°C), le transfert de chaleur radiatif peut s’accroître de plusieurs ordres de grandeur grâce à la contribution des ondes évanescentes. Cette propriété a un intérêt pour la récupération d’énergie en promettant une augmentation de la puissance électrique générée par une cellule TPV lorsqu’elle est placée en champ proche d’un émetteur thermique radiatif. Dans le but de vérifier cette prédiction, cette thèse a consisté à développer un banc expérimental de mesures TPV en champ proche. Le dispositif est basé sur un montage de microscopie thermique avec actuateurs piézo-électriques (SThM). L’émetteur est une sphère micrométrique de graphite attachée sur un levier SThM chauffé de manière thermorésistive jusqu’à 1200 K et la cellule TPV en antimoniure d’indium (InSb), qui ne peut fonctionner au-delà de 100 K, est placée sur le doigt froid d’un cryostat. Le flux radiatif en champ proche transféré par l’émetteur peut être mesuré indépendamment de la puissance électrique générée par la cellule. La preuve expérimentale de l’accroissement de la densité de puissance électrique générée en champ proche, par rapport à la prédiction de la théorie macroscopique du rayonnement, a été apportée avec un facteur jusqu’à 6. L’étude de différents paramètres a permis d’atteindre des puissances TPV de 7.5 kW.m-2 et des rendements de conversion mesurés de ~20 %. Des expériences de transfert radiatif en champ proche dans diverses configurations (matériaux, géométries, températures) ont également été menées. La puissance radiative transférée en champ proche suit des lois de puissance très différentes de celles du champ lointain. Ces résultats démontrent expérimentalement l’intérêt applicatif des effets de champ proche pour le rayonnement thermique.

Thermophotovoltaic (TPV) cells convert the energy of photons emitted by hot bodies into electrical energy. When the distance between two radiating bodies becomes smaller than the characteristic wavelength of thermal radiation (~ 10 µm at room temperature and ~ 2.3 µm near 1000 °C), radiative heat transfer can be enhanced by several orders of magnitude due to the contribution of evanescent waves. This property has an interest for energy harvesting because it should increase the electrical power generated by a TPV cell located in the near field of a radiative thermal emitter. With the aim of confirming this prediction, this thesis consisted in the development of an experimental setup for performing near-field TPV measurements. The setup is based on a scanning thermal microscopy (SThM) design involving piezoelectric actuators. The emitter is a microsphere made of graphite and glued on a SThM cantilever heated by Joule effect up to 1200 K and the TPV cell made of indium antimonide (InSb), which cannot operate above 100 K, is placed on the cold finger of a cryostat. Near-field radiative heat flux transferred from the emitter is measured independently from the electrical power generated by the cell. A study of different parameters provided the experimental proof of the near-field enhancement of the electrical power density generated in the near field by a factor up to 6 compared with the prediction based on the macroscale theory of thermal radiation. Output electrical power densities reach 7.5 kW.m-2 and conversion efficiencies ~20 %. In addition, near-field radiative heat transfer experiments were performed in various configurations (materials, geometries and temperatures). The near-field radiative power follows power laws different from those of the far field. These results highlight the interest of near-field effects on radiative heat transfer for applications., Une cellule thermophotovoltaïque (TPV) convertit l’énergie de photons émis par des corps chauds en énergie électrique. Lorsque la distance séparant deux corps rayonnants devient inférieure à la longueur d’onde caractéristique du rayonnement thermique (~10 µm à température ambiante, ~2,3 µm vers 1000°C), le transfert de chaleur radiatif peut s’accroître de plusieurs ordres de grandeur grâce à la contribution des ondes évanescentes. Cette propriété a un intérêt pour la récupération d’énergie en promettant une augmentation de la puissance électrique générée par une cellule TPV lorsqu’elle est placée en champ proche d’un émetteur thermique radiatif. Dans le but de vérifier cette prédiction, cette thèse a consisté à développer un banc expérimental de mesures TPV en champ proche. Le dispositif est basé sur un montage de microscopie thermique avec actuateurs piézo-électriques (SThM). L’émetteur est une sphère micrométrique de graphite attachée sur un levier SThM chauffé de manière thermorésistive jusqu’à 1200 K et la cellule TPV en antimoniure d’indium (InSb), qui ne peut fonctionner au-delà de 100 K, est placée sur le doigt froid d’un cryostat. Le flux radiatif en champ proche transféré par l’émetteur peut être mesuré indépendamment de la puissance électrique générée par la cellule. La preuve expérimentale de l’accroissement de la densité de puissance électrique générée en champ proche, par rapport à la prédiction de la théorie macroscopique du rayonnement, a été apportée avec un facteur jusqu’à 6. L’étude de différents paramètres a permis d’atteindre des puissances TPV de 7.5 kW.m-2 et des rendements de conversion mesurés de ~20 %. Des expériences de transfert radiatif en champ proche dans diverses configurations (matériaux, géométries, températures) ont également été menées. La puissance radiative transférée en champ proche suit des lois de puissance très différentes de celles du champ lointain. Ces résultats démontrent expérimentalement l’intérêt applicatif des effets de champ proche pour le rayonnement thermique.

La simulation numérique d'applications industrielles telles que les satellites ou les fours, nécessitent une modélisation fine de l'ensemble des phénomènes physiques et plus particulièrement du rayonnement. Le rayonnement thermique de par sa forte non-linéarité et son intégration dans l'espace rend les simulations numériques couteuses tant en temps de calcul qu'en utilisation de mémoire. Nous proposons une méthode de réduction modale pour réduire un problème de transferts thermiques dominé par le rayonnement. A cette fin, la méthode AROMM (Amalgam Reduced Order Modal Model) [1], qui est une extension de la méthode BERM [2,3,4], préserve l'intégrité de la géométrie, est couplée à la méthode classique des radiosités. L'application traitée est une pièce de titane complexe chauffée par deux panneaux radiants placés dans un four. La méthode AROMM réduit d'un facteur 100 le temps de calcul nécessaire pour obtenir la solution, tout en maintenant une erreur moyenne inférieure à 0,1\%. Ces très bonnes performances ouvrent la voie à une procédure de contrôle ou d'identification dans un délai raisonnable pour ce type d'applications. {\footnotesize \noindent ~[1] B. Gaume, F. Joly and O. Quéméner, Modal reduction for a problem of heat transfer with radiation in an enclosure, Int. J. Heat Mass Transfer, 141 (2019) 779-788. \noindent ~[2] S. Carmona, Y. Rouizi, O. Quéméner, F. Joly, and A. Neveu. Estimation of heat flux by using reduced model and the adjoint method. application to a brake disc rotating. International Journal of Thermal Sciences, 131:94 – 104, 2018. \noindent ~[3] S. Carmona, Y. Rouizi, and O. Quéméner. Spatio-temporal identification of heat flux density using reduced models. application to a brake pad. International Journal of Heat and Mass Transfer, 128:1048 – 1063, 2019. \noindent ~[4] O. Quéméner, A. Neveu, and E. Videcoq. A specific reduction method for branch modal formulation: Application to highly non linear configuration. Int. J. Thermal Sci., 46(9):890–907, 2006.}

Numerical simulations can provide valuable information to fire investigators, but only if the fire source is precisely defined. This can be done through full- or small-scale testing. The latter is often preferred because these tests are easier to perform, but their results have to be extrapolated in order to represent full-scale fire behaviour. Various approaches have been proposed to perform this upscaling. An example is pyrolysis models, which involve a detailed description of condensed phase reactions. However, these models are not ready yet for investigation applications. This is why another approach was chosen for the work presented here, employing a heat transfer model: the prediction of mass loss rate for a material is determined based on a heat balance. This principle explains the two-part structure of this study: first, a detailed characterisation of heat transfers is performed; then, the influence of these heat transfers on thermal decomposition is studied. The first part focuses on thermal radiation because it is the leading mechanism of flame spread. Flame radiation was characterised for several fuels (kerosene, diesel, heptane, polyurethane foam and wood) and many fire sizes (from 0.3 m up to 3.5 m wide). Measurements included visible video recordings, multispectral opacimetry and infrared spectrometry, which allowed the determination of a simplified flame shape as well as its emissive power. These data were then used in a model (Monte-Carlo method) to predict incident heat fluxes at various locations. These values were compared to the measurements and showed a good agreement, thus proving that the main phenomena governing flame radiation were captured and reproduced, for all fire sizes. Because the final objective of this work is to provide a comprehensive fire simulation tool, a software already available, namely Fire Dynamics Simulator (FDS), was evaluated regarding its ability to model radiative heat transfers. This was done using the data and knowledge gathered before, and showed that the code could predict incident heat fluxes reasonably well. It was thus chosen to use FDS and its radiation model for the rest of this work. The second part aims at correlating thermal decomposition to thermal radiation. This was done by performing cone calorimeter tests on polyurethane foam and using the results to build a model which allows the prediction of MLR as a function of time and incident heat flux. Larger tests were also performed to study flame spread on top and inside foam samples, through various measurements: videos processing, temperatures analysis, photogrammetry. The results suggest that using small-scale data to predict full-scale fire behaviour is a reasonable approach for the scenarios being investigated. It was thus put into practice using FDS, by modifying the source code to allow for the use of a thermal model, in other words defining the fire source based on the model predicting MLR as a function of time and incident heat flux. The results of the first simulations are promising, and predictions for more complex geometries will be evaluated to validate this method., Le recours à la simulation numérique peut être précieux pour un investigateur cherchant à évaluer une hypothèse dans le cadre de la recherche des causes et circonstances d'un incendie. Pour utiliser cet outil, il est primordial de définir précisément le terme source, c'est-à-dire la quantité d'énergie ou de gaz combustibles que le foyer va dégager au cours du temps. Il peut être déterminé par des essais en échelle réduite ou réelle. La première approche est souvent préférée car plus facile à mettre en œuvre et moins coûteuse. Dans ce cas, il est ensuite nécessaire de transposer les résultats vers l'échelle réelle : pour cela, plusieurs types de modèles ont été proposés. Les plus complets reposent sur des modèles de pyrolyse, qui décrivent le comportement au feu à partir des réactions chimiques dans la phase condensée. Toutefois, ils ne sont pour l'instant pas mûrs pour les applications en investigation. C'est pourquoi une autre famille de modèles, dits thermiques, a été choisie dans l'étude présentée ici. Ces modèles visent à prédire le terme source en fonction de la sollicitation thermique uniquement. Les travaux sont divisés en deux parties principales, à savoir une caractérisation approfondie des transferts de chaleur au sein d'une flamme et une investigation de leur influence sur la décomposition des matériaux. Pour le premier sujet, l'accent est mis sur les transferts radiatifs car ils jouent un rôle prédominant dans l'entretien de la combustion et la propagation. Le rayonnement des flammes a donc été caractérisé pour plusieurs combustibles (kérosène, gazole, heptane, mousse polyuréthane et bois) et de nombreuses tailles de foyer (de 0,3 m à 3,5 m de côté). Les mesures, incluant de l'imagerie visible mais aussi un dispositif d'opacimétrie multispectral et un spectromètre infrarouge, ont permis de décrire la forme et l'émission des flammes. Ces données ont ensuite été utilisées dans un modèle (méthode de Monte-Carlo) pour prédire les flux thermiques reçus à différentes positions. Ces prédictions reproduisent bien les valeurs mesurées lors des essais, ce qui montre que les principaux phénomènes contrôlant le rayonnement ont été identifiés et pris en compte, pour toutes les tailles de foyer. Étant donné que l'objectif final est de fournir un outil de simulation complet, il a été choisi d'évaluer Fire Dynamics Simulator (FDS) afin de déterminer si le code permet de décrire correctement ces transferts radiatifs. Ce travail a été fait grâce aux données et connaissances acquises précédemment et montre que le code prédit correctement les flux reçus. Il a donc été choisi, pour la suite des travaux, de se reposer sur le modèle de rayonnement déjà incorporé dans FDS, pour profiter de son couplage avec le reste des modèles utiles à la simulation incendie. Concernant le second thème de l'étude, à savoir l'effet du rayonnement sur la décomposition, un travail expérimental a été mené sur la mousse polyuréthane au cône calorimètre, afin de lier la vitesse de perte de masse (MLR, pour Mass loss rate) au flux thermique imposé. Ces données ont permis de construire un modèle prédisant le MLR en fonction du temps et de l'éclairement, ce qui représente bien l'approche thermique évoquée précédemment. Des essais à plus grande échelle ont servi à caractériser la propagation du feu à la surface du combustible mais aussi à l'intérieur des échantillons de mousse, en employant différents moyens de mesure (imagerie visible, thermométrie, photogrammétrie). En plus des connaissances acquises, cette étude indique que l'utilisation de données obtenues à petite échelle est possible pour prédire le comportement au feu à échelle réelle. C'est donc ce qui a été fait, en modifiant le code source de FDS, pour intégrer une approche thermique en utilisant les données du modèle décrivant le MLR en fonction du temps et de l'éclairement. Les premières simulations montrent des résultats encourageants, et seront complétées par l'étude de géométries plus complexes.

UMR AGAP - équipe AFEF - Architecture et fonctionnement des espèces fruitières; Numerous agronomical applications of remote sensing have been proposed in recent years, including water stress assessment at field by thermal imagery. The miniaturization of thermal cameras allows carrying them onboard the unmanned aerial vehicles (UAVs), but these systems have no temperature control and, consequently, drifts during data acquisition have to be carefully corrected. This manuscript presents a comprehensive methodology for radiometric correction of UAV remotely-sensed thermal images to obtain (combined with visible and near-infrared data) multispectral ortho-mosaics, as a previous step for further image-based assessment of tree response to water stress. On summer 2013, UAV flights were performed over an apple tree orchard located in Southern France, and 4 dates and 5 h of the day were tested. The 6400 m(2) field plot comprised 520 apple trees, half well-irrigated and half submitted to progressive summer water stress. Temperatures of four different on-ground stable reference targets were continuously measured by thermo-radiometers for radiometric calibration purposes. By using self-developed software, frames were automatically extracted from the thermal video files, and then radiometrically calibrated using the thermal targets data. Once ortho-mosaics were obtained, root mean squared error (RMSE) was calculated. The accuracy obtained allowed multi-temporal mosaic comparison. Results showed a good relationship between calibrated images and on-ground data. Significantly higher canopy temperatures were found in water-stressed trees compared to well-irrigated ones. As high resolution field ortho-mosaics were obtained, comparison between trees opens the possibility of using multispectral data as phenotypic variables for the characterization of individual plant response to drought.

In buildings, radiative heat transfers can be idealized by the radiosity equation. This one needs the evaluation of geometric couplings between the elements of the scene called form factors or view factors. It is generally hard to get them, especially when there are obstructions. Beyond the evaluation of those factors, the algebraic system is difficult to solve because each surface interacts, usually, with all the others and because the number of nodes required for the description of a complex scene is important. We present a resolution method which refines the mesh of the scene while constructing a multi-scale representation of form factors between its elements, in order to avoid having to compute all the transfers at the finest resolution. This drastically reduces the computation time and allows to use this method in an industrial development process., L'étude des transferts radiatifs dans l'habitat peut se ramener à la résolution de l'équation des radiosités. Celle-ci nécessite l'évaluation de couplages géométriques entre les éléments de la scène appelés facteurs de forme. Leur obtention est particulièrement ardue, notamment lorsqu'il s'agit de tenir compte d'éventuelles obstructions. Outre l'évaluation de ces facteurs, le système à résoudre est très lourd, puisque chaque surface interagit, le plus souvent, avec toutes les autres et que le nombre de noeuds mis en jeu dans la description d'une scène complexe est important. Nous présentons une méthode de résolution qui raffine le maillage d'une scène tout en construisant simultanément une représentation à différentes échelles des facteurs de forme entre ses éléments, dans le but de ne pas calculer tous les échanges à la résolution la plus fine. Elle permet ainsi de réduire considérablement le temps de calcul et rend son utilisation possible en bureau d'étude.

Numerical simulations are used by engineers to design robust and clean industrial combustors. Among pollutants, soot control is an urgent societal issue and a political-industrial priority, due to its harmful impact on health and environment. Soot particles size plays an important role in its negative effect. It is therefore important to predict not only the total mass or number of emitted particles, but also their population distribution as a function of their size. In addition, soot particles can play an important role in thermal radiation. In confined configurations, controlling heat transfer related to combustion is a key issue to increase the robustness and the life cycle of combustors by avoiding wall damages. In order to correctly determine these heat losses, radiative and wall convective heat fluxes must be accounted for. They depend on the wall temperature, which is controlled by the conjugate heat transfer between the fluid and solid domains. Heat transfer impacts the flame stabilization, pollutants formation and soot production itself. Therefore, a complex coupling exists between these phenomena and the simulation of such a multi-physics problem is today recognized as an extreme challenge in combustion, especially in a turbulent flow, which is the case of most industrial combustors. Thus, the objective of this thesis is to develop a multi-physics modeling enabling the simulation of turbulent sooting flames including thermal radiation and wall heat transfer. The retained methods based on Large-Eddy Simulation (LES), a soot sectional model, conjugate heat transfer, a Monte Carlo radiation solver are combined to achieve a stateof- the-art framework. The available computational resources make nowadays affordable such simulations that will yield present-day reference results. The manuscript is organized in three parts. The first part focuses on the definition of a detailed model for the description of soot production in laminar flames. For this, the sectional method is retained here since it allows the description of the particle size distribution (PSD). The method is validated on laminar premixed and diffusion ethylene/air flames before analyzing the dynamics of pulsed diffusion flames. In the second part, an LES formalism for the sectional method is developed and used to investigate two different turbulent flames: a non-premixed jet flame and a confined pressurized swirled flame. Predicted temperature and soot volume fraction levels and topologies are compared to experimental data. Good predictions are obtained and the different soot processes in such flames are analyzed through the study of the PSD evolution. In these first simulations, wall heat losses rely on experimental measurements of walls temperature, and a coarse optically-thin radiation model. In the third part, to increase the accuracy of thermal radiation description, a Monte Carlo approach enabling to solve the Radiative Transfer Equation with detailed radiative properties of gaseous and soot phases is used and coupled to the LES solver. This coupled approach is applied for the simulation of the turbulent jet flame. Quality of radiative fluxes prediction in this flame is quantified and the nature of radiative transfers is studied. Then, a whole coupled modeling of turbulent combustion accounting for soot, conjugate heat transfer and thermal radiation is proposed by coupling three dedicated codes. This strategy is applied for a high-fidelity simulation of the confined pressurized burner. By comparing numerical results with experimental data, the proposed approach enables to predict both the wall temperature and the flame stabilization. The different simulations show that soot formation processes are impacted by the heat transfer description: a decrease of the soot volume fraction is observed with increasing heat losses. This highlights the requirement of accurate description of heat transfer for future developments of soot models and their validation.; Les simulations sont utilisées pour concevoir des chambres de combustion industrielles robustes et peu polluantes. Parmi les polluants, l’émission de particules de suies constitue une question sociétale et une priorité politico- industrielle, en raison de leurs impacts néfastes sur la santé et l'environnement. La taille des particules de suies joue un rôle important sur ces effets. Il est donc important de prévoir non seulement la masse totale ou le nombre de particules générées, mais également leur distribution en taille (PSD). De plus, les suies peuvent jouer un rôle important dans le rayonnement thermique. Dans des configurations confinées, la prédiction des transferts de chaleur est une question clé pour augmenter la robustesse des chambres de combustion. Afin de déterminer correctement ces transferts, les flux radiatifs et de conducto-convectifs aux parois doivent être pris en compte. Enfin, la température pariétale est aussi contrôlée par les transferts conjugués de chaleur entre les domaines fluides et solides. L’ensemble de ces transferts thermiques impactent la stabilisation de la flamme, la formation de polluants et la production de suies elle-même. Il existe donc un couplage complexe entre ces phénomènes et la simulation d'un tel problème multiphysique est aujourd'hui reconnu comme un important défi. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une modélisation multiphysique permettant la simulation de flammes suitées turbulentes avec le rayonnement thermique et les transferts conjugués de chaleur associés aux parois. Les méthodes retenues sont basées sur la Simulation aux Grandes Échelles (LES), une description en taille des suies, des transferts conjugués et un code Monte Carlo pour le rayonnement. La combinaison de telles approches est réalisable grâce aux ressources de calcul aujourd’hui disponibles afin d’obtenir des résultats de référence. Le manuscrit est organisé en trois parties. La première partie se concentre sur le développement d'un modèle détaillé pour la description de la production de suies dans les flammes laminaires. Pour cela, la méthode sectionnelle est retenue ici car elle permet la description de la PSD. La méthode est validée sur des flammes laminaires éthylène/air. Dans la deuxième partie, un formalisme LES spécifique à la méthode sectionnelle est développé et utilisé pour étudier deux flammes turbulentes : une flamme jet non-prémélangée et une flamme swirlée pressurisée confinée. Les champs de température et de fraction volumique de suies sont comparés aux données expérimentales. De bonnes prédictions sont obtenues et l’évolution des particules de suies dans de telles flammes est analysée à travers l'étude de l’évolution de leur PSD. Dans ces premières simulations, les pertes de chaleur aux parois reposent sur des mesures expérimentales de la température aux parois, et un modèle de rayonnement simple. Dans la troisième partie, une approche Monte Carlo permettant de résoudre l'équation de transfert radiatif avec des propriétés radiatives détaillées des phases gazeuse et solide est utilisée et couplée au solveur LES. Cette approche est appliquée à l'étude de la flamme jet turbulente. La prédiction des flux thermiques est comparée aux données expérimentales et la nature des transferts radiatifs est étudiée. Ensuite, une modélisation couplée de la combustion turbulente prenant en compte la production de suies, les transferts conjugués de chaleur et le rayonnement thermique est proposée en couplant les trois codes dédiés. Cette stratégie est appliquée pour la simulation du brûleur pressurisé confiné. L'approche proposée permet à la fois de prédire la température des parois et la bonne stabilisation de la flamme. Les processus de formation de suies se révèlent être affectés par la modélisation des transferts thermiques. Ceci souligne l’importance d’une description précise de ces transferts thermiques dans les développements futurs de modèles de production de suies et leur validation.

Numerical simulations are used by engineers to design robust and clean industrial combustors. Among pollutants, soot control is an urgent societal issue and a political-industrial priority, due to its harmful impact on health and environment. Soot particles size plays an important role in its negative effect. It is therefore important to predict not only the total mass or number of emitted particles, but also their population distribution as a function of their size. In addition, soot particles can play an important role in thermal radiation. In confined configurations, controlling heat transfer related to combustion is a key issue to increase the robustness and the life cycle of combustors by avoiding wall damages. In order to correctly determine these heat losses, radiative and wall convective heat fluxes must be accounted for. They depend on the wall temperature, which is controlled by the conjugate heat transfer between the fluid and solid domains. Heat transfer impacts the flame stabilization, pollutants formation and soot production itself. Therefore, a complex coupling exists between these phenomena and the simulation of such a multi-physics problem is today recognized as an extreme challenge in combustion, especially in a turbulent flow, which is the case of most industrial combustors. Thus, the objective of this thesis is to develop a multi-physics modeling enabling the simulation of turbulent sooting flames including thermal radiation and wall heat transfer. The retained methods based on Large-Eddy Simulation (LES), a soot sectional model, conjugate heat transfer, a Monte Carlo radiation solver are combined to achieve a stateof- the-art framework. The available computational resources make nowadays affordable such simulations that will yield present-day reference results. The manuscript is organized in three parts. The first part focuses on the definition of a detailed model for the description of soot production in laminar flames. For this, the sectional method is retained here since it allows the description of the particle size distribution (PSD). The method is validated on laminar premixed and diffusion ethylene/air flames before analyzing the dynamics of pulsed diffusion flames. In the second part, an LES formalism for the sectional method is developed and used to investigate two different turbulent flames: a non-premixed jet flame and a confined pressurized swirled flame. Predicted temperature and soot volume fraction levels and topologies are compared to experimental data. Good predictions are obtained and the different soot processes in such flames are analyzed through the study of the PSD evolution. In these first simulations, wall heat losses rely on experimental measurements of walls temperature, and a coarse optically-thin radiation model. In the third part, to increase the accuracy of thermal radiation description, a Monte Carlo approach enabling to solve the Radiative Transfer Equation with detailed radiative properties of gaseous and soot phases is used and coupled to the LES solver. This coupled approach is applied for the simulation of the turbulent jet flame. Quality of radiative fluxes prediction in this flame is quantified and the nature of radiative transfers is studied. Then, a whole coupled modeling of turbulent combustion accounting for soot, conjugate heat transfer and thermal radiation is proposed by coupling three dedicated codes. This strategy is applied for a high-fidelity simulation of the confined pressurized burner. By comparing numerical results with experimental data, the proposed approach enables to predict both the wall temperature and the flame stabilization. The different simulations show that soot formation processes are impacted by the heat transfer description: a decrease of the soot volume fraction is observed with increasing heat losses. This highlights the requirement of accurate description of heat transfer for future developments of soot models and their validation., Les simulations sont utilisées pour concevoir des chambres de combustion industrielles robustes et peu polluantes. Parmi les polluants, l’émission de particules de suies constitue une question sociétale et une priorité politico- industrielle, en raison de leurs impacts néfastes sur la santé et l'environnement. La taille des particules de suies joue un rôle important sur ces effets. Il est donc important de prévoir non seulement la masse totale ou le nombre de particules générées, mais également leur distribution en taille (PSD). De plus, les suies peuvent jouer un rôle important dans le rayonnement thermique. Dans des configurations confinées, la prédiction des transferts de chaleur est une question clé pour augmenter la robustesse des chambres de combustion. Afin de déterminer correctement ces transferts, les flux radiatifs et de conducto-convectifs aux parois doivent être pris en compte. Enfin, la température pariétale est aussi contrôlée par les transferts conjugués de chaleur entre les domaines fluides et solides. L’ensemble de ces transferts thermiques impactent la stabilisation de la flamme, la formation de polluants et la production de suies elle-même. Il existe donc un couplage complexe entre ces phénomènes et la simulation d'un tel problème multiphysique est aujourd'hui reconnu comme un important défi. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une modélisation multiphysique permettant la simulation de flammes suitées turbulentes avec le rayonnement thermique et les transferts conjugués de chaleur associés aux parois. Les méthodes retenues sont basées sur la Simulation aux Grandes Échelles (LES), une description en taille des suies, des transferts conjugués et un code Monte Carlo pour le rayonnement. La combinaison de telles approches est réalisable grâce aux ressources de calcul aujourd’hui disponibles afin d’obtenir des résultats de référence. Le manuscrit est organisé en trois parties. La première partie se concentre sur le développement d'un modèle détaillé pour la description de la production de suies dans les flammes laminaires. Pour cela, la méthode sectionnelle est retenue ici car elle permet la description de la PSD. La méthode est validée sur des flammes laminaires éthylène/air. Dans la deuxième partie, un formalisme LES spécifique à la méthode sectionnelle est développé et utilisé pour étudier deux flammes turbulentes : une flamme jet non-prémélangée et une flamme swirlée pressurisée confinée. Les champs de température et de fraction volumique de suies sont comparés aux données expérimentales. De bonnes prédictions sont obtenues et l’évolution des particules de suies dans de telles flammes est analysée à travers l'étude de l’évolution de leur PSD. Dans ces premières simulations, les pertes de chaleur aux parois reposent sur des mesures expérimentales de la température aux parois, et un modèle de rayonnement simple. Dans la troisième partie, une approche Monte Carlo permettant de résoudre l'équation de transfert radiatif avec des propriétés radiatives détaillées des phases gazeuse et solide est utilisée et couplée au solveur LES. Cette approche est appliquée à l'étude de la flamme jet turbulente. La prédiction des flux thermiques est comparée aux données expérimentales et la nature des transferts radiatifs est étudiée. Ensuite, une modélisation couplée de la combustion turbulente prenant en compte la production de suies, les transferts conjugués de chaleur et le rayonnement thermique est proposée en couplant les trois codes dédiés. Cette stratégie est appliquée pour la simulation du brûleur pressurisé confiné. L'approche proposée permet à la fois de prédire la température des parois et la bonne stabilisation de la flamme. Les processus de formation de suies se révèlent être affectés par la modélisation des transferts thermiques. Ceci souligne l’importance d’une description précise de ces transferts thermiques dans les développements futurs de modèles de production de suies et leur validation.

Cellular media such as plastic, ceramic and metal foams present specific characteristics that make them interesting for a number of applications related to thermal engineering. Their ability to minimize natural convection makes them ideal candidates for insulation applications, while the high specific surface and permeability to fluid of open cell foams makes them interesting heat transfer enhancers. In addition, their permeability to light makes them an ideal candidate for thermal radiation based applications, such as porous burners or solar energy collectors. In many of these application, thermal radiation heat transfer can have a significant influence on the heat transfer process. Both accurate radiation models and accurate morphological models of the structure of the foam are required. This work provides an original contribution on both these accounts. A discussion of the literature on numerical methods for radiation heat transfer in cellular media is presented, with focus on Monte Carlo methods. Homogeneous Phase (HPA) and Multi Phase (MPA) methods are discussed. Further efforts are required to accurately model and digitally replicate of foam morphologies. Our goal is to digitally generate three commonly occurring types of foam structures, covering a large range of real materials: high-porosity open cell foams, high-porosity closed cell foams, low-porosity open-cell structures. For high-porosity open cell foams, the automated parametric digital generation technique was validated against a dataset consisting of raw morphological data obtained by tomographic analysis. The generation capabilities were then applied to parametrically investigate the influence of morphological parameters on the radiative properties (namely, the extinction coefficient) of an opaque open-cell foam. Highly accurate analytical relationships were subsequently deduced and validated by comparison with results obtained from tomography samples. Modeling radiation in foams with a semi-transparent solid phase is substantially more complex. A Direct Monte-Carlo Homogenization reference technique is proposed, that allows to simulate radiation within arbitrary cavities and calculate macroscopic radiative quantities based on a Representative Elementary Volume (REV) of cellular material. The technique is validated against full scale Monte Carlo simulations. Improvements of the existing Homogeneous Phase and Multi Phase approach are proposed, through extensive use of inverse methods and the addition of one equation to take into account specific phenomena taking place in the semi-transparent solid phase. The resulting Improved Homogenized Approaches are extensively tested by comparing them with Direct Monte Carlo Homogenization simulations and existing homogenized models, on a varied set of morphologies making full use of the previously developed digital generation techniques. The improved models consistently outperform existing homogenized models., Les transferts thermiques par rayonnement dans des mousses sont modélisés à partir de la morphologie du matériau et des propriétés de sa phase solide. Dans ce travail de thèse, une attention particulière est portée sur les modèles radiatifs de Monte Carlo. Les différentes approches d’homogénéisation telles que « Homogeneous Phase » (HPA) and « Multi Phase » (MPA) sont discutées et comparées. Des développements novateurs sont proposés pour améliorer la précision des résultats. Nos avancées permettent de générer numériquement trois types de mousses périodiques couvrant un large domaine de matériaux cellulaires: mousse à pores fermés à haute porosité, mousse à cellules ouvertes à basse et haute porosité. Pour ces dernières, des comparaisons morphologiques avec des données expérimentales tomographiques, montrent des résultats satisfaisants et tendent à valider nos modèles de génération. Des mousses dont la phase solide est opaque ont tout d’abord été étudiées. Nos simulations ont permis de trouver de nouvelles lois analytiques précises permettant d’estimer les propriétés radiatives de ces matériaux à partir de données morphologiques. Ensuite, nous avons considéré des mousses, dont la phase solide est semi transparente. La modélisation du transfert radiatif au sein de ces milieux cellulaires est plus complexe. Les méthodes de modélisation des propriétés radiatives de la littérature, HPA et MPA, sont testées. Des simulations de Monte carlo directes dans les matériaux ont permis de mettre en exergue les limites de ces modèles. Des modèles novateurs ont été proposés afin d’ améliorer la précision des simulations. Ils sont basés sur une méthode hybride directe-inverse et une modification de l’équation de transfert radiatif classique. Ces nouveaux modèles (HPA+ et MPA+) ont été testés sur un ensemble varié de morphologies générées numériquement. Les modèles améliorés sont systématiquement plus précis que les modèles existants

For heating and quenching operations occurring during material forming processes, thermal radiation is the the predominant physical phenomenon. Hence, when one tries to simulate such processes, it is important to have at disposal powerful tools for the numerical modelling of thermal radiation.The numerical simulation of these processes often rises numerous problems and questions, as the representation of a complex environment, involving several components ( ingots, burners, nozzles, walls), to deal with different coupled physical phenomena ( flow, heat transfer, boiling, thermal radiation). In this regard, some “immersed” numerical methods, allows a generalist treatment of these different problems, have gained popularity and drag interest of the scientific community in the recent years.The Thost project, aiming to produce a software for heat transfer during material forming processes, fits in the framework, and this PhD is part of this project. The goal is therefore to design tools for numerical modelling of thermal radiation within the immersed volume method of the Thost software. Two approaches are presented: one consisting in the adaptation of an existing method to the context of the immersed volume method, another concerning the development of a formulation for a specific model of radiation. These methods are then tested on industrial applications provided by our partners.; Dans le cadre des procédés de chauffage et de trempe réalisés lors d’opération de mise en forme des matériaux, le rayonnement thermique joue un rôle prépondérant. Lors de l’élaboration de modèles numériques permettant la simulation de ces procédés, il est donc nécessaire de disposer d’outils performants pour simuler ce phénomène.La simulation numérique de tels procédés soulèvent de nombreuses problématiques, comme la représentation d’un environnement complexe impliquant plusieurs composants (pièces, bruleurs, buses d’injection, parois), la gestion des divers phénomènes physiques couplés (écoulement, transfert thermiques, ébullition, rayonnement). Dans cette perspective, les méthodes dites « d’immersion », permettant un traitement généraliste de ces divers problèmes, rencontrent depuis quelques années un intérêt grandissant dans la communauté scientifique.C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet Thost, au sein duquel est réalisée cette thèse. L’objectif est donc de développer des outils pour la modélisation du rayonnement dans le contexte d’immersion de volume propre au logiciel Thost. Deux approches sont développées : l’une consistant en l’adaptation d’une méthode existante au contexte de l’immersion de volume, l’autre explorant l’élaboration d’une formulation pour un modèle particulier de rayonnement. Les outils développés sont ensuite mis à l’épreuve sur des simulations de cas industriels fournis par nos partenaires.

International audience; Validation expérimentale d'un modèle d'absorbeur volumique solaire à haute température

This thesis deals with thermal radiation at nanoscale in order to increase the energy conversion performances of thermophotovoltaic systems (TPV) The basics of thermal radiation and of photovoltaic energy conversion are recalled first. The flux radiated by few-layers emitters supporting interference phenomena are then calculated numerically. These phenomena allows controlling the emission spectrum, and thus the optimization of a selective emitter for TPV application. The next chapter is dedicated to near-field thermal radiation between a semi-infinite emitter and a flat film. This configuration is close to a TPV system, where the semi-infinite emitter can be related to the radiating body, and the film to the photovoltaic device. Different phenomena are analyzed: the behavior of the surface polariton resonances, the spatiale absorption of the radiative power and the interference phenomena in the near-to-far field transition regime. These phenomena can be used to design optimal spectra. In the last chapter, the performances of TPV system under near-field regime (NFR-TPV) are numerically simulated with a coupled charge transport/thermal radiation code. The models based on the low-injection approximation commonly used to simplify the charge transport problem inside the PV device are evaluated in details. Several cell architectures optimizing the performances of the system are then presented. All these results shed new light on thermal radiation of multilayers and their application to thermophotovoltaic conversion., Ce manuscrit traite du rayonnement thermique à l’échelle nanométrique et du contrôle de l’échange d’énergie radiative entre deux corps, afin d’augmenter les performances de conversion énergétique des systèmes thermophotovoltaïques (TPV). Les bases du rayonnement thermique et de la conversion photovoltaïque sont tout d’abord rappelées. Les flux rayonnés par des émetteurs multicouches supportant des phénomènes d’interférence sont ensuite calculés numériquement. Ces phénomènes permettent de contrôler le spectre d’émission et donc l’optimisation d’un émetteur sélectif pour des applications TPV. Il s’avère important de prendre en compte l’évolution en température des propriétés optiques des matériaux constituant l’émetteur. Il est démontré que le contrôle des phénomènes d’interférences au sein des structures multicouches sur substrat métallique permet d’obtenir des émissivités spectrale et totale hémisphérique 20 fois supérieures à celles du substrat seul. Le chapitre suivant est dédié au rayonnement thermique en champ proche entre un émetteur semi-infini et une couche mince. Cette configuration est proche d’un système TPV, où l’émetteur semi-infini peut être assimilé au corps rayonnant, et le film à une cellule PV. Différent phénomènes sont analysés : le comportement des résonances de polaritons de surface, l’absorption spatiale de la puissance radiative en champ proche et les phénomènes d’interférences dans le régime de transition champ proche-champ lointain. Ces phénomènes peuvent être mis à profit pour la conception de spectres optimisés. Dans le dernier chapitre, les performances de systèmes TPV en champ proche (TPV-CP) sont simulées numériquement à l’aide d’un code couplé transport des charges-rayonnement. Les modèles basés sur l’hypothèse de faible injection utilisés généralement pour simplifier le problème du transport des charges électriques dans la cellule PV sont évalués en détails. Différentes architectures de cellules permettant d’optimiser les performances du système sont présentées en conclusion. Ces travaux offrent un nouvel éclairage sur le rayonnement des structures multicouches et leur application à la conversion thermophotovoltaïque.

Vulnerability is not a well-known component of forest fire risk. It is usually assessed through experts’ opinions. It can be assessed more objectively after a disaster par measuring damages, if the attributes of the disaster are known. We propose a model for vulnerability assessment formulated with a multi-criteria analysis of experts’ opinions. This one is validated by using a physical model for exposure assessment. Its inputs are provided by a fire propagation model. The system is calibrated based on the analysis of damages induced by a real wildfire. Results demonstrate the consistency of a vulnerability model based on spatial variables., La vulnérabilité est la composante du risque d’incendie de forêt la moins connue. Elle est généralement évaluée à dires d’experts. Plus objectivement elle peut être évaluée a posteriori en mesurant les dommages causés par un sinistre, si le détail des caractères de ce sinistre est connu. Nous proposons un modèle d’évaluation de la vulnérabilité formulé par une analyse multicritères des dires d’experts. Ce modèle est validé en utilisant un modèle physique d’exposition. Ses entrées sont fournies par un modèle de propagation. La calibration se fonde sur une analyse des dommages engendrés par un sinistre réel. Les résultats valident l’approche de modélisation de la vulnérabilité par des variables spatiales.

Les projets de recherche, sur les nouveaux procédés de conversion de l'énergie solaire concentrée, doivent relever le défi de la simulation des récepteurs solaires. En effet, des mécanismes complexes de couplage écoulement/rayonnement/réaction chimique/croissance de particules doivent être simulés pour développer les connaissances et les applications. Dans ce mémoire, l'influence du rayonnement a été étudiée dans un réacteur solaire de craquage du méthane pour la production d'hydrogène et de particules de noirs de carbone. L'influence des transferts radiatifs a aussi été étudiée dans des récepteurs et réacteurs volumiques poreux à particules ou en mousse ainsi que des récepteurs surfaciques plans et à cavité. De plus, des campagnes expérimentales ont été menées pour valider les modèles construits notamment ceux sur les récepteurs volumiques. La nécessité d'augmenter les rendements de ces récepteurs requiert de limiter les pertes par émission thermique. C'est pourquoi, des travaux ont été réalisés dans l'objectif d'étudier le gain d'efficacité que procure l'utilisation de matériaux spectralement sélectifs pour des récepteurs volumiques et surfaciques à haute température. Pour l'ensemble de ces travaux, des modèles numériques de transferts radiatifs (Monte Carlo, Ordonnées Discrètes, 2-Flux) et de transferts couplés ont été développés et utilisés. De plus, des modèles de propriétés radiatives spectrales de parois opaques rugueuses, de milieux semi-transparents composés d'un mélange gaz-particules ou d'un milieu macroporeux ou de gaz à haute température ont été proposés et leurs domaines de validité étudiés.

The work presented in this thesis has been financed by AIRBUS Defence and Space. It is part of the development strategy of new Thermal Protection Systems (TPS) for atmospheric reentry purposes. The aim is to study the radiative transfer in the ablation zone of the TPS as well as the coupling of the radiative and conductive heat transfer in the low density fibrous matrix. To this end, radiative properties of the materials have to be evaluated since they are not well known. The first step of this study is therefore to characterize the optical and radiative properties of sample provided by AIRBUS Defence and Space and the CREE Stain-Gobain laboratory. Thus, an original identification method based on radiative emission measurement was developed to obtain the radiative properties. The needed emission spectra are measured on silica or carbon samples at high temperature with an experimental setup based on Fourrier Transformed InfraRed spectrometry. The samples are heated using a CO2 laser. An optical setup allows us to measure emission spectra on the sample or a black body used to calibrate the experiment. The identification process is based on the modeling of the radiative distribution factor computed by a Monte Carlo ray-tracing method. It uses Mie theory for infinite cylinder to compute the radiative properties. Temperature are also identified and, for silica, compared to the one measured by a Christiansen pyrometry technique. The last part of this study focuses on the coupled radiative/conductive heat transfer modeling in low density fibrous media. Samples being greatly absorbing, we used the Rosseland equivalent conductivity to model the radiative transfer in volume and obtain the thermal response of the samples in the conditions of the experimental setup used for the identification. For silica, predicted temperatures are superior to the identified ones or those measured with the Christiansen pyrometry technique. This is probably because the Rosseland equivalent conductivity makes no difference between extinction due to absorption and extinction due to scattering., Les travaux présentés dans cette thèse CIFRE financée par AIRBUS Defence & Space s’intègrent dans une problématique de développement de nouveaux Systèmes de Protection Thermique (TPS) pour l’entrée atmosphérique. Ils se focalisent sur l’étude du transfert radiatif dans la zone d’ablation du TPS et son couplage avec le transfert conductif au travers de la matrice fibreuse de faible densité. Pour réaliser cette étude, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés thermiques de ces matériaux, notamment les propriétés radiatives qui, contrairement aux conductivités thermiques, demeurent mal connues. La première étape de cette étude a donc visé à caractériser les propriétés optiques et radiatives de certains matériaux fournis par AIRBUS Defence & Space et par le CREE Saint-Gobain. Pour réaliser ces caractérisations, nous avons développé une méthode originale d’identification des propriétés radiatives basée sur des mesures de l’émission propre. Les spectres d’émission à haute température, réalisés sur des échantillons en fibre de silice ou en feutre de carbone nécessaires à l’identification, sont obtenus sur un banc de spectrométrie FTIR développé lors de ces travaux. Les échantillons sont chauffés à haute température à l’aide d’un laser CO2 et un montage optique permet de choisir entre la mesure du flux émis par l’échantillon ou un corps noir servant à l’étalonnage du banc. L’identification des propriétés repose sur la modélisation des facteurs de distribution du rayonnement calculés à l’aide d’une méthode de lancé de rayons Monte Carlo utilisant la théorie de Mie pour un cylindre infini pour le calcul des propriétés radiatives. Les températures identifiées sont comparées aux températures mesurées par pyrométrie au point de Christiansen dans le cas de la silice et montrent un bon accord avec ces dernières. Enfin la dernière partie de ce document est consacrée au couplage conduction-rayonnement dans ce type de milieu. Les échantillons ayant une très forte extinction, le modèle utilisé repose sur la définition d’une conductivité équivalente de Rosseland pour traiter les transferts radiatifs volumiques et ainsi simuler les champs de température au sein des échantillons dans les conditions de chauffage utilisées lors de l’identification. Dans le cas de la silice, cependant, les températures prédites par le modèle utilisant la conductivité équivalente de Rosseland, sont nettement supérieures à celles obtenues par identification ou par pyrométrie au point de Christiansen. Le fait que la conductivité équivalente de Rosseland ne fasse pas la distinction entre une forte extinction due à la diffusion ou à l’absorption est probablement la cause de cette différence.

A four-layer hydrologic model, coupled to a vegetation growth model, has been used to investigate the differences between aerodynamic surface temperature and radiative surface temperature over sparsely vegetated surface. The rationale for the coupling of the two models was to assess the dependency of these differences on changing surface conditions (i.e., growing vegetation). A simulation was carried out for a 3-month period corresponding to a typical growth seasonal cycle of an herbaceous canopy in the Sahel region of West Africa (Goutorbe et al., 1993). The results showed that the ratio of radiative-aerodynamic temperature difference to radiative-air temperature difference was constant for a given day. However, the seasonal trend of this ratio was changing with respect to the leaf area index (LAI). A parameterization involving radiative surface temperature, air temperature, and LAI was then developed to estimate aerodynamic-air temperature gradient, and thus sensible heat flux. This parameterization was validated using data collected over herbaceous site during the Hapex-Sahel experiment. This approach was further advanced by using a radiative transfer model in conjunction with the above models to simulate the temporal behavior of surface reflectances in the visible and the near-infrared spectral bands. The result showed that sensible heat flux can be fairly accurately estimated by combining remotely sensed surface temperature, air temperature, and spectral vegetation index. The result of this study may represent a great opportunity of using remotely sensed data to estimate spatiotemporal variabilities of surface fluxes in arid and semiarid regions. (Résumé d'auteur)

Radiation plays an important role in industrial combustion chambers. In fact, there is a strong coupling between combustion and heat transfer in these turbulence chambers. The Rainier code is developed for the calculation of radiation in a reactive flow within a complex geometry. This code is dedicated to Large Eddy Simulation (LES) of turbulent reactive flows. The code is based on unstructured tetrahedral mesh. The correlated k-distribution method (CK) is applied to the modelling of radiative properties of gases. A statistical method of Monte Carlo (ERM) is used to resolve the Radiation Transfer Equation (RTE). The code is parallelized and it shows a linear response to the number of processors, which is very close to the ideal response. A coupling method of the Rainier code and the turbulent combustion code LES is implemented. Each code has its own logic architecture and development. For this, the coupling between these two different fields of study is achieved in such a way that the data exchange and synchronization between them is assured. The results obtained by applying the coupled codes to the combustion chamber of helicopter are presented. We have shown that the radiative transfer modifies the temperature and species fields inside the combustion chamber., Les transferts radiatifs jouent un rôle important dans les chambres de combustion des installations industrielles. En effet, il existe un couplage fort entre la combustion turbulente et le rayonnement. Dans le but d’étudier ce couplage, le code Rainier est développé pour les calculs de pertes par rayonnement dans un écoulement réactif dans des géométries complexes. Ce code repose sur des simulations aux grandes échelles (LES) de la combustion turbulente. Il est basé sur les maillages tétraédriques non structurés. Le modèle de rayonnement appliqué à la modélisation des propriétés radiatives des gaz est le modèle CK (Correlated-k). La méthode statistique de Monte-Carlo (ERM) est utilisée pour résoudre l’équation de Transfert du Rayonnement (ETR). Le code de rayonnement est parallélisé et il montre une réponse linéaire en fonction du nombre de processeurs très proche de la réponse idéale. Une méthode de couplage de code de rayonnement avec le code de combustion LES est développée. Chacun des codes a sa propre logique d’architecture et de développement. En conséquence, le couplage entre les deux domaines d’étude est réalisé de telle façon que les échanges des données et les synchronisations entre eux soient assurés. Les résultats obtenus à partir du couplage des sur une chambre de combustion d’hélicoptère sont présentés. Nous avons montré que le rayonnement modifie les champs instantanés de température et d’espèces à l’intérieur de la chambre de combustion.

National audience; Les explosions de poussières affectent tout le tissu industriel avec souvent, des conséquences désastreuses. De nombreux progrès ont été accomplis lors de ces dernières décennies dans la compréhension et la modélisation de ce type d'explosion en démontrant par exemple les similitudes qu'il peut y avoir avec les explosions de gaz. Mais on s'interroge sur le comportement des fines poussières métalliques capables d'engendrer des explosions extrêmement puissantes. L'objectif du projet RADIAN, soutenu par la région Picardie, est de découvrir la raison de la violence de ces explosions. Dans cette communication, on propose d'identifier à l'aide de quelques observations expérimentales l'importance potentielle du rayonnement thermique dans les processus de propagation des flammes dans des nuages d'air et de particules d'aluminium et d'imaginer, à l'aide de modèles théoriques quel pourrait être le comportement d'une flamme dominée par le rayonnement thermique. L'incidence de la taille des particules est discutée. On montre en particulier que des régimes d'explosion atypiques sont possibles contre lesquels les moyens de protection habituels pourraient bien être inopérants.

We developped a method of resolution of radiative transfer inside a medium of vapor-droplets surrounded by hot walls, in order to couple it with a simulation of the flow at the CFD scale. The scope is the study of the cooling of the core of nuclear reactor following a Loss Of Coolant Accident (LOCA). The problem of radiative transfer can be cut into two sub problems, one concerning the evaluation of the radiative properties of the medium and a second concerning the solution of the radiative transfer equation. The radiative properties of the droplets have been computed with the use of the Mie Theory and those of the vapor have been computed with a Ck model. The medium made of vapor and droplets is an absorbing, anisotropically scattering, emissive, non grey, non homogeneous medium. Hence, owing to the possible variations of the flow properties (diameter and volumetric fraction of the droplets, temperature and pressure of the vapor), the medium can be optically thin or thick. Consequently, a method is required which solves the radiative transfer accurately, with a moderate calculation time for all of these prerequisites. The IDA has been chosen, derived from the well-known P1-approximation. Its accuracy has been checked on academical cases found in the literature and by comparison with experimental data. Simulations of LOCA flows have been conducted taking account of the radiative transfer, evaluating the radiative fluxes and showing that radiative transfer influence cannot be neglected; On développe une méthode de résolution du transfert radiatif au sein d'un milieu vapeur-gouttelettes entouré de parois chaudes, en vue d'un couplage avec une résolution de l'écoulement à l'échelle de la CFD. Le domaine d'application considéré est l'étude du refroidissement du coeur d'une centrale nucléaire suite à un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). Le problème du transfert radiatif se découpe en deux sous-problèmes, l'un concernant l'évaluation des propriétés radiatives du milieu et le second la résolution du transfert radiatif. Les propriétés radiatives ont été calculées avec la théorie de Mie pour les gouttelettes et le modèle C-k pour la vapeur d'eau. On obtient un milieu absorbant, diffusant anisotrope, émissif, non gris et non homogène. De plus, compte tenu de la grande gamme possible des propriétés de l'écoulement (diamètre et concentration des gouttelettes, température et pression de la vapeur), le milieu peut être optiquement fin ou optiquement épais. Il faut donc une méthode de résolution du transfert radiatif efficace pour toutes les conditions observées dans un APRP et ayant un temps de calcul raisonnable en vue du couplage avec les autres modes de transferts. La méthode IDA, dérivée de l'approximation P1, a été choisie. Son niveau de précision a été validé sur des cas tests académiques et une expérimentation. Des simulations en condition APRP ont ensuite été effectuées, permettant d'évaluer les flux rayonnés et confirmant que le transfert radiatif n'est pas négligeable dans cet accident

International audience; Lancée en novembre 2009, la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est triplement ambitieuse par ses finalités : elle est destinée à mesurer systématiquement des quantités physiques - humidité du sol et salinité à la surface de la mer - de haute signification dans le système climatique ,son parti pris technique innovant de radiométrie interférométrique, ses choix en matière d'extraction des quantités recherchées, choix qui mettent en oeuvre des modélisations explicites du transfert radiatif. Même si l'évaluation exhaustive des résultats de SMOS devra attendre la fin de la mission et certainement au delà, le temps est venu d'apprécier les chances que les défis posés soient relevés avec succès.

International audience; Precision irrigation requires frequent information on crop conditions spatial and temporal variability. Image-based remote sensing is one promising techniques for precision irrigation management. In this study, we investigated the use of broad band multispectral (visible, near infrared and thermal infrared bands) and thermal airborne imagery for the characterization of water status of durum wheat crop through two indices: the Water Deficit Index (WDI) and the Simplified Surface Energy Balance Index (S-SEBI). Compari - sons between these two indices and the ratio between actual and potential evapotranspiration (AET/PET) show that such techniques are promising for precision irrigation management.

We developped a method of resolution of radiative transfer inside a medium of vapor-droplets surrounded by hot walls, in order to couple it with a simulation of the flow at the CFD scale. The scope is the study of the cooling of the core of nuclear reactor following a Loss Of Coolant Accident (LOCA). The problem of radiative transfer can be cut into two sub problems, one concerning the evaluation of the radiative properties of the medium and a second concerning the solution of the radiative transfer equation. The radiative properties of the droplets have been computed with the use of the Mie Theory and those of the vapor have been computed with a Ck model. The medium made of vapor and droplets is an absorbing, anisotropically scattering, emissive, non grey, non homogeneous medium. Hence, owing to the possible variations of the flow properties (diameter and volumetric fraction of the droplets, temperature and pressure of the vapor), the medium can be optically thin or thick. Consequently, a method is required which solves the radiative transfer accurately, with a moderate calculation time for all of these prerequisites. The IDA has been chosen, derived from the well-known P1-approximation. Its accuracy has been checked on academical cases found in the literature and by comparison with experimental data. Simulations of LOCA flows have been conducted taking account of the radiative transfer, evaluating the radiative fluxes and showing that radiative transfer influence cannot be neglected, On développe une méthode de résolution du transfert radiatif au sein d'un milieu vapeur-gouttelettes entouré de parois chaudes, en vue d'un couplage avec une résolution de l'écoulement à l'échelle de la CFD. Le domaine d'application considéré est l'étude du refroidissement du coeur d'une centrale nucléaire suite à un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). Le problème du transfert radiatif se découpe en deux sous-problèmes, l'un concernant l'évaluation des propriétés radiatives du milieu et le second la résolution du transfert radiatif. Les propriétés radiatives ont été calculées avec la théorie de Mie pour les gouttelettes et le modèle C-k pour la vapeur d'eau. On obtient un milieu absorbant, diffusant anisotrope, émissif, non gris et non homogène. De plus, compte tenu de la grande gamme possible des propriétés de l'écoulement (diamètre et concentration des gouttelettes, température et pression de la vapeur), le milieu peut être optiquement fin ou optiquement épais. Il faut donc une méthode de résolution du transfert radiatif efficace pour toutes les conditions observées dans un APRP et ayant un temps de calcul raisonnable en vue du couplage avec les autres modes de transferts. La méthode IDA, dérivée de l'approximation P1, a été choisie. Son niveau de précision a été validé sur des cas tests académiques et une expérimentation. Des simulations en condition APRP ont ensuite été effectuées, permettant d'évaluer les flux rayonnés et confirmant que le transfert radiatif n'est pas négligeable dans cet accident

L'objectif est d'évaluer sur le plan agro-climatique les options de réalisation d'une culture de printemps dans les hautes vallées du Nord du Vietnam. A partir d'hypothèses sur les contraintes agro-climatiques s'exerçant sur ces options, un modèle de simulation et le dispositif expérimental permettant de le caler et de l'évaluer ont été élabores. Une expérimentation virtuelle replaçant les cultures de printemps envisagées (riz, riz ? aérobie ?, mais et soja) dans le climat de trois régions contrastées sur ce plan a ensuite été réalisée, le long d'un gradient d'altitude, et sous différentes modalités techniques, notamment de dates de semis. Cette démarche a été appliquée successivement aux deux grands cas rencontres dans les montagnes : irrigation des parcelles des le printemps, et conduite en régime pluvial (irrigation praticable seulement pour le cycle estival). Elle a conduit a identifier, pour chacun de ces cas et chacune des régions et cultures étudiées, des fenêtres de semis favorables, intervalles de dates de semis pour lesquelles la culture de printemps présente peu de risques. La taille de cette fenêtre constitue ainsi un indicateur synthétique de la contrainte climatique pour une culture donnée dans un lieu donne : plus cette fenêtre est étroite, plus on peut s'attendre a ce qu'il soit délicat pour les producteurs de pratiquer la culture. Les résultats confirment clairement que même lorsque l'eau d'irrigation est abondante, le climat des montagnes du Vietnam ne permet pas partout de pratiquer une culture de printemps. Les risques identifies sont la destruction par le froid pendant les stades précoces de la croissance végétative, l'allongement du cycle au-delà de la date ou le riz irrigue d'été doit être installe selon la pratique actuelle, l'obtention de rendements nettement abaisses du fait de la faiblesse du rayonnement global et des températures pendant la première partie de la saison. Pour ce contexte irrigue, la culture qui échappe le mieux a ces contraintes dans les simulations est le soja, suivie du mais et du riz conduit en semis en plein champ. Le riz semé en pépinière et repique est apparu comme le plus sensible aux contraintes de températures. En conditions pluviales, la culture de printemps est nettement plus délicates tout particulièrement a cause des retards de levée et des stress hydriques pendant la phase de croissance végétative lies aux faibles précipitations de début de saison. Le soja reste la culture pour laquelle la contrainte de durée de cycle est la plus faible, mais son rendement simule est fortement réduit par les stress hydriques. Le riz ? aérobie ? et le mais sont des options envisageables en conditions strictement pluviales aux altitudes relativement modestes dans tous les climats étudies. La géographie de l'extension des cultures de printemps au Vietnam est ainsi esquissée. Des perspectives de recherche sont proposées en vue d'accroitre cette aire d'extension. Outre ces acquis importants pour l'agriculture locale, cette thèse confirme l'intérêt et l'efficacité d'une approche de modélisation ad hoc pour ce type de question agro-climatique.

Recent studies have shown that electromagnetic waves (in particular the thermal radiation), in the vicinity of a scattering object such as en atomic force microscope (AFM), can be scattered from near to far-field and thus detected. The detection of surface waves through scanning near-field optical microscopy (SNOM) is a promising technique for thermal measurement at small scales. Such technology is known as TRSTM. The thesis work presented in this manuscript is divided into tow part. The first one relates to our experimental work based on the development of a TRSTM device. Its various components are detailed, and the difficulties observed during its utilization are described. Furthermore, several digital tools, used to detect and extract any useful signal, are presented. The second part of our work focuses on the development of a numerical model based on the finite-difference time-domain (FDTD) and the near-field to far-field (NFTFF) transformation for the scattering of electromagnetic waves. This model has been validated by studying different cases of dipoles and dispersive spheres close to a dielectric substrate. Then, several simulations of scattering of evanescent waves by a tip, with various shapes and materials, near an interface, are presented., De récentes études ont montré que les ondes électromagnétiques, proche d'une structure diffusante telle qu'une pointe de microscope à force atomique (AFM), peuvent être diffusées et détectées en champ lointain. Ainsi, la détection d'ondes de surface par microscopie optique en champ proche (SNOM) est une technique prometteuse dans le cadre des mesures thermiques aux petites échelles. Une telle technologie prend alors le nom de microscope TRSTM (Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscopy). Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit se scinde en deux étapes. La première a trait à nos travaux expérimentaux basés sur le montage d'un dispositif TRSTM. Nous en décrivons les différentes composantes, ainsi que les difficultés rencontrées liées à son fonctionnement. En outre, divers outils numériques, destinés à détecter et extraire tout signal périodique utile, sont développés. La seconde étape se concentre sur nos travaux numériques. Nous y proposons un modèle de diffusion d'ondes électromagnétiques basé sur la FDTD (Finite-Difference Time-Domain) et la transformation champ proche/champ lointain. Ce modèle a été validé par l'étude de dipôles, puis de sphères dispersives à proximité d'un substrat diélectrique. Alors, un certain nombre de simulations de diffusion d'ondes évanescentes par une pointe, de diverses formes et de divers matériaux, proche d'une interface, est présenté.

Presentation available online at http://www.sft.asso.fr/Local/sft/dir/user-3775/documents/actes/congres_2011/Communications/167.pdf; National audience; La méthode zonale à coefficients d'absorption multiples (MACZM) pour la modélisation des facteurs de transferts radiatifs dans les milieux transparents et semi-transparents est implémentée et validée numériquement. Les calculs sont améliorés par l'utilisation de réseaux de neurones artificiels. Une autre méthode efficace de calcul des facteurs de transferts radiatifs, la méthode des flux plans, est aussi décrite. Les deux méthodes sont appliquées simultanément pour le calcul des facteurs d'échanges radiatifs dans un four de réchauffage sidérurgique de brames d'acier et les résultats sont comparés. La validité deMACZM est ainsi démontrée et des temps de calcul réduits de plus de cent fois sont obtenus.

We have designed and developed a new calorimeter intended to characterize the power losses in electrical components. In the new calorimeter, the heat exchange between the component and the measuring cell is by thermal radiation. This device overcomes the geometric shape of the component. The calorimeter operates in a temperature range from 200 to 400K. It allows to retrieve the losses according to a controlled environment insulated. Electrical components can be powered by voltages below 3kV arbitrary. This memory contains a technical description of the device. It develops an analytical model representing the heat transfer in the calorimeter. The analysis results obtained on components whose losses are known is finally given. This showed that the accuracy of measurement was less than 5% for a range of dissipated power from mW to Watt., Nous avons imaginé et conçu un nouveau dispositif calorimétrique, destiné à caractériser les pertes de puissance dans les composants électriques. Dans ce nouveau calorimètre, l'échange de chaleur entre le composant et la cellule de mesure s'effectue par rayonnement thermique. Ce dispositif permet de s'affranchir de la forme géométrique du composant. Le calorimètre fonctionne dans une gamme de température allant de 200 à 400K. Il permet ainsi de remonter aux pertes en fonction d'un environnement isotherme contrôlé. Le composant électrique peut être alimenté par une tension arbitraire inférieure à 3kV. Ce mémoire contient une description technique du dispositif. On y développe un modèle analytique représentatif des échanges de chaleur dans le calorimètre. L'analyse des résultats obtenus sur des composants dont les pertes sont connues y est enfin donnée. Celle-ci a montré que la précision de mesure était inférieure à 5% pour une gamme de puissance dissipée allant du mW au Watt.

présentée et soutenue publiquement par Elysée OBAME NDONG le Vendredi 10 Septembre 2010; We have designed and developed a new calorimeter intended to characterize the power losses in electrical components. In the new calorimeter, the heat exchange between the component and the measuring cell is by thermal radiation. This device overcomes the geometric shape of the component. The calorimeter operates in a temperature range from 200 to 400K. It allows to retrieve the losses according to a controlled environment insulated. Electrical components can be powered by voltages below 3kV arbitrary. This memory contains a technical description of the device. It develops an analytical model representing the heat transfer in the calorimeter. The analysis results obtained on components whose losses are known is finally given. This showed that the accuracy of measurement was less than 5% for a range of dissipated power from mW to Watt.; Nous avons imaginé et conçu un nouveau dispositif calorimétrique, destiné à caractériser les pertes de puissance dans les composants électriques. Dans ce nouveau calorimètre, l'échange de chaleur entre le composant et la cellule de mesure s'effectue par rayonnement thermique. Ce dispositif permet de s'affranchir de la forme géométrique du composant. Le calorimètre fonctionne dans une gamme de température allant de 200 à 400K. Il permet ainsi de remonter aux pertes en fonction d'un environnement isotherme contrôlé. Le composant électrique peut être alimenté par une tension arbitraire inférieure à 3kV. Ce mémoire contient une description technique du dispositif. On y développe un modèle analytique représentatif des échanges de chaleur dans le calorimètre. L'analyse des résultats obtenus sur des composants dont les pertes sont connues y est enfin donnée. Celle-ci a montré que la précision de mesure était inférieure à 5% pour une gamme de puissance dissipée allant du mW au Watt.

Cette habilitation traite des transferts de chaleur et de quantité de mouvement aux courtes échelles d'espace et de temps. Une première partie du travail s'interesse au propriétés du rayonnement thermique en champ proche. Il est montré qu'en présence de matériaux supportant des ondes de surface, le champ électromagnétique d'origine thermique peut voir ses propriétés de cohérence changées entre le champ proche et le champ lointain, en particulier lorsque les matériaux mis en jeu supportent des ondes de surface. Nous montrans que le transfert radiatif en champ proche peut être augmenté de plusieurs ordreds de grandeur en champ proche en présence d'ondes de surface. Les propriétés de cohérence du champ thermique en champ proche peuvent être exploitées pour fabriquer des sources thermiques cohérentes en champ lointain. Ce type de source s'obtient en gravant un réseau à la surface de matériaux.Dans une seconde partie nous avons montré que la force de Casimir qui est un transfert de moment pouvait s'interpéter comme un transfert s'effectuant à certaines longueurs d'ondes correspondant aux modes propres du systèmes. Dans ces deux parties, les calculs ont été effectuées en utilisant une méthode basé sur le théorème de fluctuation dissipation.Dans une troisième partie, nous traitons le problème de la conduction thermique aux courtes échelles de temps et d'espace. Nous montrons que la loi de Fourier cesse d'être valable et nous résolvons pour traiter ces problèmes l'équation de Boltzmann pour les phonons.

Cette habilitation traite des transferts de chaleur et de quantité de mouvement aux courtes échelles d'espace et de temps. Une première partie du travail s'interesse au propriétés du rayonnement thermique en champ proche. Il est montré qu'en présence de matériaux supportant des ondes de surface, le champ électromagnétique d'origine thermique peut voir ses propriétés de cohérence changées entre le champ proche et le champ lointain, en particulier lorsque les matériaux mis en jeu supportent des ondes de surface. Nous montrans que le transfert radiatif en champ proche peut être augmenté de plusieurs ordreds de grandeur en champ proche en présence d'ondes de surface. Les propriétés de cohérence du champ thermique en champ proche peuvent être exploitées pour fabriquer des sources thermiques cohérentes en champ lointain. Ce type de source s'obtient en gravant un réseau à la surface de matériaux.Dans une seconde partie nous avons montré que la force de Casimir qui est un transfert de moment pouvait s'interpéter comme un transfert s'effectuant à certaines longueurs d'ondes correspondant aux modes propres du systèmes. Dans ces deux parties, les calculs ont été effectuées en utilisant une méthode basé sur le théorème de fluctuation dissipation.Dans une troisième partie, nous traitons le problème de la conduction thermique aux courtes échelles de temps et d'espace. Nous montrons que la loi de Fourier cesse d'être valable et nous résolvons pour traiter ces problèmes l'équation de Boltzmann pour les phonons.

Ma thèse a été consacrée à la modélisation du rayonnement thermique, abordée d'un point de vue électromagnétique. Plus précisément, elle s'applique à l'étude de l'excitation thermique d'ondes de surface (plasmon-polaritons ou phonon-polaritons) susceptibles d'exister pour certains matériaux métalliques ou diélectriques. L'originalité de ce travail a consisté à évaluer la contribution de ces ondes de surface à l'émission thermique de matériaux micro- ou nanostructurés (réseaux) ; aux transferts d'énergie par rayonnement dans des systèmes de taille micro- ou nanométrique ; aux forces de Casimir dans la limite électrostatique. Au cours de cette étude, nous avons détaillé le formalisme qui nous a permis d'aborder le rayonnement thermique d'un point de vue électromagnétique. Nous avons pu donner une expression exacte et explicite de la densité d'énergie électromagnétique (due au rayonnement thermique) au-dessus d'une interface plane séparant un milieu quelconque du vide, en explicitant notamment la contribution des ondes évanescentes. Nous avons tenté de définir une quantité qui serait l'analogue, pour les ondes évanescentes, de l'émissivité monochromatique directionnelle. L'expression de la densité d'énergie obtenue montre qu'en champ proche, il est théoriquement possible de déterminer localement la constante diélectrique d'un substrat en mesurant le champ d'émission thermique qu'il "rayonne" en champ proche. Par ailleurs, nous montrons qu'un microscope optique en champ proche, détectant le champ d'émission thermique d'un substrat est l'analogue optique d'un STM (Scanning Tunneling Microscope) pour les électrons. Nous pourrions ainsi mesurer la densité d'états locale du champ électromagnétique. Utilisant le phénomène d'onde de surface dans l'infrarouge pour le SiC, nous avons été capable de dimensionner une source thermique présentant une certaine cohérence spatiale : dans une direction fixée, elle émet préférentiellement à une longueur d'onde et pour une longueur d'onde fixée, elle émet à l'intérieur d'un lobe très étroit angulairement. Les mesures expérimentales confirment avec un excellent accord cette prédiction théorique. Ainsi, la source que nous avons réalisée avec ce réseau de SiC est le premier exemple expérimental de source thermique patiellement cohérente spatialement. Par ailleurs, cette source a un spectre d'émission qui dépend de l'angle d'émission, c'est l'"effet Wolf". Les développements actuels au laboratoire concernent la mise en œuvre expérimentale d'une expérience de mesure d'émissivité infrarouge avec un spectromètre à transformée de Fourier. Nous abordons ensuite le problème du transfert radiatif entre deux milieux semi-infinis séparés par une faible épaisseur de vide, de 10 nm à plusieurs dizaines de microns et montrons que l'approche radiométrique du rayonnement thermique n'est pas valable lorsque les échelles caractéristiques deviennent du même ordre de grandeur que la longueur d'onde du rayonnement. Nous avons montré alors que les ondes de surface (dont nous ne pouvons rendre compte qu'avec une approche électromagnétique), et plus particulièrement les phonon-polaritons de surface dans le cas du SiC, jouent un rôle fondamental dans le transfert d'énergie électromagnétique. Premièrement, celui-ci est (\it quasi) monochromatique et présente un pic très prononcé à la fréquence de résonance du polariton de surface qui donne la contribution majeure au transfert. Une expression asymptotique en champ proche du coefficient de transfert radiatif en fonction de la fréquence est également donnée. Deuxièment, le transfert est amplifié de plusieurs ordres de grandeur à courte distance, l'amplification variant comme l'inverse du carré de la distance séparant les deux milieux. Pour le cas de deux milieux de SiC séparés d'une distance de 10 nm, la contribution du rayonnement à l'échange d'énergie est du même ordre de grandeur que celle de la conduction (pour un gaz dans les conditions normales). Il est donc essentiel de ne pas négliger cette contribution du rayonnement dans ce type de systèmes, comme cela est fait couramment. Une application envisagée de ce transfert radiatif concerne l'effet thermo-photovoltaïque amplifié. Dans une configuration où nous avons considéré une particule sub-longueur d'onde (approximation dipolaire) située au-dessus d'une interface plane, nous avons mis en évidence le même type d'effets, lorsque la particule et la surface supportent des ondes de surface. La particule absorbe ainsi de manière importante autour de deux fréquences bien précises, correspondant aux fréquences de résonance des ondes de surface. La puissance absorbée par la particule augmente de plusieurs ordres de grandeur en champ proche, variant comme l'inverse de la puissance troisième de la distance entre la particule et le substrat. De la même manière, nous avons réalisé une cartographie de la distribution spatiale de la puissance absorbée par unité de volume à l'intérieur du substrat lorsque celui-ci est éclairé par le champ d'émission thermique de la particule. Nous avons montré que dans le cas d'une particule de SiC au-dessus d'un échantillon de SiC, la densité de puissance pouvait atteindre 100 MW/m3. De plus, la puissance déposée est confinée sur une zone dont la taille typique est de l'ordre de la distance entre la particule et le substrat. Une application de ce travail se situe dans le stockage haute-densité sur des matériaux magnétiques ou à transition de phase. Dans le même thème, nous nous sommes intéressés au cas de nanoparticules métalliques enfouies dans une matrice diélectrique. Le but est d'expliquer certains résultats expérimentaux obtenus lorsque ces nanoparticules sont illuminées par des impulsions laser femtosecondes. Le problème est alors d'étudier la dynamique de relaxation électronique en régime basse fluence (variation de la température électronique faible) et haute fluence (variation importante) et notamment l'influence de la taille de la particule. Lors de cette 'étude, nous avons montré que l'introduction phénoménologique d'un mécanisme supplémentaire d'échange d'énergie entre les électrons et la matrice diélectrique permet de rendre compte de comportements observés expérimentalement. Le premier concerne la dépendance du temps de relaxation électronique en fonction de la taille de la particule lorsque nous sommes dans un régime où la température électronique n'est pas trop élevée (< 400 K). Le temps de relaxation diminue alors avec le rayon de la particule, montrant que ce mécanisme supplémentaire est essentiellement surfacique. Nous avons alors appliqué notre modèle dans un régime où les températures électroniques sont plus élevées (> 400 K), correspondant à des expériences où les nanoparticules sont illuminées par des impulsions de forte fluence. Dans ce régime, la prise en compte du mécanisme de surface conduit à deux conclusions : la première est que l'extrapolation des valeurs calculées pour de fortes fluences au régime des faibles fluences montre que le temps de relaxation est relativement indépendant de la taille de la particule ; la seconde est que la variation du temps de relaxation est fortement non linéaire en fonction de la fluence incidente. Enfin, nous avons étudié l'"effet Casimir" en choisissant une méthode de calcul qui nous permet une interprétation physique aisée des résultats. Nous avons alors été capable de tracer le "spectre" de la force de Casimir entre deux milieux semi-infinis de SiC à température nulle. Nous avons montré qu'en champ proche, la contribution majeure (pics dans le spectre) était donnée par les polaritons de surface, notamment celui qui existe dans l'ultraviolet pour le SiC. De plus, la "relation de dispersion" de la force de Casimir montre que cette contribution des ondes de surface couplées peut être elle-même divisée en deux : une contribution due à ce que nous avons appelé des modes "liants", qui sont attractifs et une contribution due à des modes "anti-liants" qui sont répulsifs. Nous avons identifié, pour les ondes évanescentes, dans la formule analytique de la force les termes correspondant à chacun de ces modes.

L'utilité de la température de surface Ts, facilement accessible par télédétection aérospatiale ou au champ, pour caractériser l'état hydrique d'un couvert végétal n'est plus à prouver. Cependant, l'interprétation de Ts est limitée à deux niveaux : (i) la télédétection infrarouge thermique (IRT) ne permet pas de mesurer la température de la végétation indépendamment de celle du sol. Le degré d'interférence du sol dans le signal est fonction de la structure du couvert et de la configuration angulaire soleil/capteur; (ii) la traduction théorique de Ts en termes de transpiration des plantes repose sur des échanges complexes de chaleur au sein du système sol - végétation - atmosphère, encore mal pris en compte dans la plupart des approches de modélisation de Ts. L'objectif du présent travail est d'améliorer l'interprétation de la température de surface (Ts) en tant qu'indicateur de l'état hydrique d'une culture. Pour cela, l'impact de la variabilité des températures du sol et de la végétation sur la mesure directionnelle de Ts est analysé dans le cas d'une culture en rang de cotonnier, selon deux approches : une expérimentation in situ à Montpellier (France) et un modèle 3D du bilan d'énergie du couvert, Thermo, permettant d'explorer virtuellement de larges gammes de conditions de mesures (en termes de structure du couvert et de configurations angulaires soleil/capteur). Ce modèle présente l'originalité de calculer les températures de chaque organe de plantes (notamment les feuilles) et de cellules de sol. Les résultats expérimentaux et les simulations par le modèle validé démontrent l'impact déterminant de la fraction de sol au soleil (Fs), vue par le capteur selon la structure du couvert et l'heure de la journée, sur la mesure directionnelle de Ts. Les limites et potentialités de deux indices de stress hydrique basés sur la mesure de Ts sont alors testés expérimentalement et par les simulations, montrant leur incapacité à s'affranchir des effets de Fs. L'un d'eux, le WDI, s'avère indépendant de Fs et de l'heure de mesure lorsque l'on utilise des mesures de Ts depuis un angle de visée optimal, fonction des conditions de mesures (position du soleil et structure du couvert) : cela démontre les limites des hypothèses simplificatrices de cette méthode. Par ailleurs, Thermo a permis de démontrer la pertinence d'une représentation 3D simplifiée de la végétation ainsi que la richesse de l'information bidirectionnelle IRT dans une optique d'interprétation de Ts. Ces voies d'investigation sont à la base de l'amélioration des indices de stress hydrique vers des méthodes plus robustes et génériques. Thermo représente pour sa part un outil d'analyse détaillé adapté à de multiples problématiques liées à l'utilisation de l'eau par la plante.

A new numerical tool, designed to calculate radiative transfer in combustion chambers, has been developed. The radiative transfer equation is solved stochastically by three different approaches of the Monte Carlo method: a conventional forward formulation and two original approaches based on the reciprocity principle, considered from both points of view of the reverse path and the exchanged power. In order to reduce the variance of the results, absorption is calculated in a deterministic way. Gas radiative properties are treated in a correlated manner by a CK model.Validation calculations, in non-scattering or scattering media, have shown that the conventional approach is the most suitable for optically thin or semi-transparent media characterized by large differences in temperature whereas the two other methods are the most suitable for optically thick or nearly isothermal media. The results given by the three approaches are obtained simultaneously with only one calculation. In terms of computation time, it is not more expensive to obtain the results from the three methods than to obtain the results from only one given approach. The optimal solution consists in choosing the best of the three results for each mesh.Turbulence/radiation interaction modeling is based on the division of an optical path into a succession of independent coherent turbulent structures supposed to be homogeneous and isothermal. The structure size is equal to the turbulence integral length scale. This model has been applied to a sooty diffusion turbulent flame. The use of this model leads to a relative homogenization of the volumic radiative power field and to a 37% increase of the total radiative loss of the flame. The soot contribution to this loss is equal to 65%. The coherent turbulent structure size and the constant of the soot absorption coefficient have an important influence on this loss., Un nouvel outil numérique, destiné au calcul des transferts radiatifs dans les chambres de combustion, a été développé. L'équation de transfert du rayonnement est résolue de façon stochastique par trois approches différentes de la méthode de Monte Carlo : une formulation classique et deux approches originales basées sur le principe de réciprocité, qui n'est pas considéré seulement du point de vue géométrique, mais aussi du point de vue énergétique. Afin de réduire la variance des résultats, l'absorption est calculée de façon déterministe. Les propriétés radiatives des gaz sont traitées de façon corrélée par un modèle CK.Des calculs de validation, en milieux diffusants ou non, ont montré que l’approche classique est plus adaptée aux milieux non optiquement épais caractérisés par de forts écarts de température, alors que les deux autres méthodes sont plus adaptées aux milieux optiquement épais ou quasi-isothermes. Les résultats des trois approches sont obtenus simultanément avec un seul calcul. Le temps de calcul est égal à celui nécessaire à l'obtention des résultats à partir d'une seule méthode. La solution optimale consiste à retenir, en chaque maille, le meilleur des trois résultats.La modélisation de l'interaction rayonnement/turbulence repose sur le découpage d’un chemin optique en une succession de structures turbulentes cohérentes indépendantes, supposées homogènes, isothermes et de tailles égales à l'échelle de longueur intégrale de la turbulence. Ce modèle a été appliqué à une flamme turbulente de diffusion contenant des suies. La prise en compte de l'interaction rayonnement/turbulence se traduit par une relative homogénéisation du champ de puissance radiative volumique et par une augmentation de 37% de la perte radiative totale de la flamme. La contribution des suies à cette perte est de 65%. La taille des structures turbulentes cohérentes et la constante du coefficient d'absorption des suies ont une influence importante sur cette perte.

Modeling tools take an increasing place in the field of water supply monitoring investigations. A energy balance model, based on the 3-D description of plants at leaf level, is used to simulate cotton crop leaves temperature variability according to crop water status (Dauzat el al., 2001, In press). Model validation gives good results for homogeneous canopies. For heterogeneous crops, a systematic underestimation is observed, due to strong thermal soil effects. Also, the model is being implemented with a bare soil compartment to account for soil temperature and heart exchanges with the crop. Once validated, this approach will permit to interpret accurately crop temperature variability, to better estimate water status. Hence, it will be possible to test the Iimits of existing crop water status indexes based on temperature measurement, and determine the ways to be investigated to improve or perform such techniques.

Conduite sur l'île de La Réunion, cet étude utilise comme variable d'entrée les résultats d'essais menés en divers sites d'altitude variée, pour spatialiser les rendements de la canne à sucre. En posant comme principe qu'à l'optimum de tous les facteurs de production d'une culture, lu conversion du rayonnement solaire en biomasse est le facteur essentiel de l'élaboration du rendement, on établit un modèle d'ajustement plaçant le rendement potentiel hors stress hydrique en relation avec le rayonnement global (Rendement potentiel = 9,7 x 10-5 x Rg + 54,6). De la même façon, en considérant qu'en culture pluviale le seul facteur limitant est l'alimentation hydrique, on établit la relation entre les rendements et les indices Etr / Etrn (R = Rendement potentiel x 1,03 x Etr / Etrn - 0,03). Des cartes de rendements potentiels, prenant également en compte l'altitude et les réserves utiles des sols, ont ainsi pu être tracées à partir des valeurs interpolées de ces relations ; on en déduit, entre autres, une estimation des gains de rendements attendus grâce à l'irrigation. La limite d'altitude de rentabilité de l'irrigation est aussi déterminée sur quatre toposéquences remarquables.

Not available; La prédiction de la propagation des feux de forêts consiste à trouver l'évolution du front du feu. Cette thèse reprend le modèle monodimensionnel de propagation du feu sous forme d'ellipses de Richards afin de trouver l'expression intrinsèque de la vitesse de ce front. Une formulation équivalente variationnelle de ce modèle en utilisant les principes de l'optique géométrique est aussi dérivée. Un modèle tridimensionnel de la propagation du feu grâce a une homogénéisation par prise de moyennes et à l'utilisation de la thermodynamique des processus irréversibles est alors obtenu. Une simplification de ce modèle, suivie d'une réduction bidimensionnelle sur la surface gauche du sol, nous conduisent alors a un modèle bidimensionnelle, qui tient compte des principaux paramètres de la propagation des feux de forêts. Celui-ci permet d'obtenir des formes de corrélations utilisées par le modèle des ellipses. Le caractère non local de l'intervention du flux radiatif en provenance de la zone en feu qui se trouve au-dessus de la végétation est alors introduit. Des simulations numériques, de ce modèle bidimensionnel de propagation du feu avec terme de rayonnement non local, ont enfin été réalisées.

Composition du jury Président : J.P. BRANCHER (Professeur, ENSEM-LEMTA, Nancy) Rapporteurs : P. JOULAIN (Directeur de recherche, E.N.S.M.A, Futuroscope) M. QUINTARD (Directeur de recherche, I.M.F.T., Toulouse) Examinateurs : X. VIEGAS (Professeur, Dept.Eng.Mecanica, Coimbra, Portugal) C. PICARD (Lieutenant Colonel,CEREN, Gardanne) P. PERRE (Professeur, ENGREF, Nancy) P. BALABANIS (Docteur, DG XII, Belgique) O. SERO-GUILLAUME (Directeur de recherche, LEMTA-CNRS, Nancy); The prediction of forest fire propagation consists in finding the motion of the forest fire front. This thesis deals with the Richards' one dimensional elliptical growth forest fire propagation so as to find an intrinsic expression of the fire front. An equivalent optical geometric variational formulation of this model is given too. A tridimensional model of forest fire propagation is then found thanks to an homogenisation by volume averaging and irreversible thermodynamic processes. Simplifications of this model followed by a reduction to the bidimensional soil surface leads to a bidimensional model, that deals with principal parameters of the propagation of forest fire. The shape of correlations used by the elliptical growth forest fire model is then deduced. The non local influence of the radiated flux issuing from fire area that is above the vegetation is then introduce too. Numerical simulations of this bidimensional model with non local radiation have been performed at least.; La prédiction de la propagation des feux de forêts consiste à trouver l'évolution du front du feu. Cette thèse reprend le modèle monodimensionnel de propagation du feu sous forme d'ellipses de Richards afin de trouver l'expression intrinsèque de la vitesse de ce front. Une formulation équivalente variationnelle de ce modèle en utilisant les principes de l'optique géométrique est aussi dérivée. Un modèle tridimensionnel de la propagation du feu grâce à une homogénéisation par prise de moyennes et à l'utilisation de la thermodynamique des processus irréversibles est alors obtenu. Une simplification de ce modèle, suivie d'une réduction bidimensionnelle sur la surface gauche du sol, nous conduisent alors à un modèle bidimensionnelle, qui tient compte des principaux paramµetres de la propagation des feux de forêts. Celui-ci permet d'obtenir des formes de corrélations utilisées par le modèle des ellipses. Le caractère non local de l'intervention du flux radiatif en provenance de la zone en feu qui se trouve au-dessus de la végétation est alors introduit. Des simulations numériques, de ce modèle bidimensionnel de propagation du feu avec terme de rayonnement non local, ont enfin été réalisées.

A la Réunion, région où la diversité des conditions climatiques est importante, les décisions techniques et économiques concernant la culture de la canne à sucre nécessitent des références adaptées à chaque zone climatique homogène. Dans ce contexte, l'emploi d'un modèle de croissance, validé dans des sites climatiques contrastés, permet de régionaliser les préconisations sans recourir à une expérimentation longue, lourde et coûteuse. A l'aide de MOSICAS, modèle de croissance optimale calé et validé à la Réunion, cette étude se propose de montrer l'intérêt de l'approche modélisatrice en simulant la croissance sur 12 stations climatologiques couvrant l'ensemble de la soie cannière de l'île. Les résultats de ces simulations ont permis d'analyser successivement la croissance en cours de cycle, les croissances maximales à différentes époques de l'année et enfin les potentialités et l'efficience annuelle d'interception en fin de cycle. Les comparaisons effectuées soulignent l'importance de l'altitude, de la date de coupe, de l'âge et de la variabilité interannuelle et montrent pour chaque paramètre l'influence relative du rayonnement et de la température. La forte variabilité de la croissance de la canne à la Réunion, constatée à l'issue de chacune de ces analyses, met en évidence la nécessité de régionaliser, d'adapter aux dates de coupe et aux différentes périodes d'interventions, les préconisations techniques.