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Boiling is a phenomenon that can occur in reactors under normal or incidental operating conditions. In the latter case, it can lead to the appearance of a boiling crisis, the mechanisms of which are still not fully understood.The proposed subject therefore concerns the characterisation of nucleate boiling from the appearance of the first bubble (Onset of Nucleate Boiling - ONB) to the appearance of the boiling crisis over a wide pressure range from atmospheric pressure to the pressure of the primary circuit of a Pressurised Water Reactor (155 bar). Indeed, the literature indicates that there is a change in flow structure around 70 bar, with the flow becoming emulsive. The study of the coupling between the thermal phenomena inside the wall and the flow in the near-wall zone (bubble size at detachment, detachment frequency, wall void rate...) is of particular interest. The final aim of this work is to provide data on the various boiling models that can be used in CFD-type numerical simulation tools.The methodology followed in this work is based on the design of an experimental device allowing a direct visualisation of the boiling two-phase flow coupled with a characterisation of the temperature field of the heating element.As the thermal characterisation is to be carried out by Infrared thermography coupled with an inverse method (allowing the temperature measured outside the test section to be compared with the wetted temperature), the determination of the geometric characteristics of the heating element (in particular its thickness) is of prime importance. A detailed study based on both one- and two-dimensional approaches to wall thermics is therefore carried out. The originality of this approach lies in the consideration of inhomogeneous boundary conditions in time and space in order to simulate boiling at the plate. This work enabled the heating element to be dimensioned as representative of the industrial device (in terms of thermal inertia and surface state) and allowing the desired measurements to be made with a target accuracy.Visualisation in the visible range is a second important aspect of the work. This is done using a high-speed camera (25,000 fps), coupled with high-precision lenses and high-performance lighting, by observing the flow through transparent sapphire windows. Focus is placed on determining and optimising the instrumentation to be used to carry out precision measurements. It is shown that the use of a bi-telecentric lens associated with an ombroscopic setup will allow obtaining precise results. The potential distortion effects of near-wall images due to the optical index gradient resulting from the temperature gradient in the liquid is specifically studied. This effort shows that on the one hand, this effect remains weak, given that in our conditions of under-saturated boiling the temperature gradient at the wall is of small magnitude, and that on the other hand, this effect could be corrected via the use of specially designed test patterns (with size comparable to the measured object).All these elements lead to the design of a thermal-hydraulic installation and the development of a test model on which preliminary tests can be carried out.; L'ébullition est un phénomène qui peut survenir en réacteur en conditions de fonctionnement normal ou incidentel. Dans ce dernier cas, elle peut conduire à l'apparition de la crise d'ébullition dont les mécanismes sont aujourd'hui encore non déterminés.Le sujet proposé concerne donc la caractérisation de l'ébullition nucléée depuis l'apparition de la première bulle (Onset of Nucleate Boiling - ONB) jusqu'à l'apparition de la crise d'ébullition dans un spectre de pression large allant de la pression atmosphérique jusqu'à la pression du circuit primaire (155 bar). En effet, il semble d'après la littérature qu'il existe un changement de structure d'écoulement autour de 70 bar, l'écoulement devenant émulsif. On s'intéressera en particulier à l'étude du couplage entre les phénomènes thermiques dans la paroi et l'écoulement dans la zone de proche paroi (taille de bulles au détachement, fréquence de détachement, taux de vide à la paroi...). Ce travail vise au final à fournir des données relatives aux différents modèles d'ébullition susceptibles d'être utilisés dans les outils de calculs numériques de type CFD.La méthodologie qu’on se propose d’utiliser dans ce travail repose sur la conception d’un dispositif expérimental qui devra permettre une visualisation directe de l’écoulement diphasique bouillant couplée à une caractérisation du champ de température de l’élément chauffant de ce dispositif.La caractérisation thermique devant se faire par thermographie Infra-Rouge couplée à une méthode inverse (permettant de remonter de la température mesurée à l’extérieur de la veine d’essais à la température mouillée), la détermination des caractéristiques géométriques de l’élément chauffant (en particulier son épaisseur) est donc primordiale. Une étude poussée s’appuyant sur une approche mono et bidimensionnelle de la thermique de paroi a donc été réalisée. L’originalité de celle-ci repose sur la prise en compte de conditions aux limites inhomogènes en temps et en espace afin de pouvoir simuler l’ébullition au droit de la plaque. Ce travail a permis de dimensionner l’élément chauffant afin qu’il soit d’un part représentatif du dispositif industriel (en terme d’inertie thermique et d’état de surface) et d’autre part qu’il permette les mesures souhaitées respectant une précision cible.La visualisation dans le domaine visible a constitué un second pan important ce de travail. Elle se fera grâce à une caméra rapide (25000 i/s) couplés à des objectifs de haute précision et un éclairage performant en observant l’écoulement à travers des hublots transparents en Saphir. On s’est en particulier attaché à déterminer et optimiser l’instrumentation devant être mise en œuvre afin de réaliser des mesures de précision. On a ainsi montré que l’utilisation d’un objectif bi-télécentrique associé à un montage en ombroscopie permettrait d’obtenir des résultats précis. Un focus particulier a été réalisé sur les effets de distorsion potentiel des images réalisées en proche paroi du fait du gradient d’indice optique résultant du gradient de température dans le liquide. Cette étude a montré que d’une part cet effet restait faible compte-tenu que dans nos conditions d’ébullition sous saturées le gradient de température à la paroi reste faible et que d’autre part cet effet pouvait se corriger via l’utilisation de mires spécialement conçues (taille comparable à l’objet mesuré).Tous ces éléments ont conduit au dimensionnement d’une installation thermohydraulique et à la mise au point d’une maquette d’essais sur laquelle des tests préliminaires ont pu être réalisés.

Dans un objectif de pallier l'évolution du réchauffement climatique et de limiter le recours aux systèmes de climatisation, de nombreuses solutions passives se développent notamment le rafraîchissement adiabatique. Ce système permet de rafraîchir l'air extérieur au travers d'un média humide grâce à l'énergie d'évaporation de l'eau sans aucun apport d'énergie extérieur. La particularité de ce système est cette transformation de l'air qui se fait de façon isenthalpique à température de bulbe humide constante avec une variation croissante de la teneur en humidité relative et absolue. Pour cette raison, le système induit une teneur en humidité relative importante au sein de l'environnement conditionné ce qui peut provoquer un certain inconfort intérieur notamment dans les bâtiments industriels où l'application de ce type de système est la plus récurrente. Les occupants de ces établissements sont souvent exposés à un stress thermique environnemental affectant leur efficacité et productivité de travail, par conséquent, il est primordial d'évaluer le confort hygrothermique intérieur. Le maintien du confort thermique pour l'homme est l'un des aspects clés liés à la notion générale de confort rencontrée dans les activités humaines. D'après l'ASHRAE, le confort thermique est « un état d'esprit qui exprime la satisfaction de l'environnement thermique ». Celui-ci intègre des aspects physiologiques, psychologiques, mais aussi rationnels, qui dépendent de facteurs comportementaux et environnementaux. Le confort thermique peut être évalué par le biais d'un grand nombre d'indicateurs qui peuvent être répartis en trois groupes, les indices rationnels (HSI, WD, DI…) qui sont basés sur des calculs impliquant l'équation du bilan thermique, les indices empiriques (PMV, PPD, AMV…) qui sont basés sur la contrainte subjective et objective et les indices directs (WBGT, Top, HR…) qui sont déduits de mesures de variables environnementales. Ces indicateurs de confort sont définis par une approche statique ou adaptative. L'approche adaptative fait aujourd'hui l'objet d'une incorporation importante dans la dernière série de révision des normes notamment dans la révision de l'ASHRAE-55. L'utilisation de ces indicateurs de confort dépend de leur domaine d'application, de leur modèle d'approche, mais aussi de leurs caractéristiques. Dans cet article, le confort intérieur d'un bâtiment type industriel est évalué par le biais d'un certain nombre d'indices de confort qui ont été intégrés dans un modèle numérique d'un système de rafraîchissement adiabatique couplé à un logiciel de simulation thermique du bâtiment. Cette étude montre que le système permet d'assurer un certain confort thermique au sein de l'environnement conditionné. Cependant, les résultats démontrent également les limites de certains indicateurs de confort dans l'évaluation du confort intérieur d'un bâtiment industriel utilisant un système de rafraîchissement adiabatique notamment dans l'importance de la prise en compte de l'aspect hydrique.

International audience

La réduction des nuisances sonores est un enjeu permanent pour les acteurs du transport aérien, notamment autour des aéroports. En particulier, le bruit de soufflante (fan noise) tient une place importante dans le bruit global de l’avion. Aussi, relativement à la réduction du bruit d'aéronef, sont développés des matériaux dits liners positionnés le long de la nacelle moteur. De par leur position à l'intérieur des nacelles de réacteurs, ces traitements acoustiques sont soumis à de forts niveaux sonores, à un écoulement rasant important, et à des gradients thermiques intenses.Cette étude a consisté à mettre en place une métrologie multi-physiques (acoustique, aérodynamique, thermique et turbulence) permettant de constituer une base de données expérimentales, afin d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques en jeu et d’alimenter les modèles de conception de liners pour répondre aux nouveaux enjeux posés par l'implantation des liners dans les nacelles.Compte tenu de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu, un effort important a été conduit pour disposer d'outils expérimentaux performants pour caractériser finement le couplage entre l'acoustique, la thermique et la turbulence. On associe donc des mesures microphoniques classiques permettant de déterminer le comportement acoustique des liners et des mesures par thermographie infrarouge pour caractériser leur réponse aérothermique. Une veine d'essai spécifique permettant d'intégrer ces différentes techniques de mesure a été réalisée, et une nouvelle méthode de détermination d'impédance acoustique a été développée afin de prendre en compte les effets aéroacoustiques. Une modélisation des phénomènes de transfert et de convection thermiques a ensuite permis de lier la réponse aérothermique au comportement acoustique des échantillons de liners sélectionnés pour l'étude. The reduction of noise pollution, particularly around airports, is a permanent challenge for the aviation industry. In particular, fan noise plays an important role in the overall noise of the aircraft. Therefore, with regard to the reduction of aircraft noise, materials referred to as acoustic liners, positioned along the engine nacelle, are developed. Due to their position inside the engine nacelles, these acoustic treatments are simultaneously subjected to high noise levels, to a significant grazing flow, and to intense thermal gradients.This study consisted in setting up a multi-physics metrology (acoustics, aerodynamics, thermics and turbulence) allowing to constitute an experimental database, in order to improve the understanding of the physical phenomena involved and to feed the liner design models to answer the new stakes posed by the implementation of the liners in the nacelles.Given the complexity of the physical phenomena involved, a major effort has been made to have effective experimental tools to characterize the coupling between acoustic effects, thermal effects and turbulence. We thus associate classical microphonic measurements to determine the acoustic behavior of liners, and infrared thermography measurements to characterize their aero-thermal response. A specific test section allowing the integration of these different measurement techniques has been realized, and a new method of acoustic impedance determination has been developed in order to take into account the aero-acoustic effects. A model of the thermal transfer and convection phenomena was finally used to link the aero-thermal response to the acoustic behavior of the liner samples selected for the study.

Ce travail est le fruit d'une collaboration entre le laboratoire CERTES et le SIARCE (syndicat des eaux ayant en charge les réseaux d'assainissement et des stations d'épuration en Essonne). Il s'inscrit dans le cadre d'un projet de Schéma Directeur Syndical des Energies Renouvelables et Ressources Réutilisables, qui permet de fixer les objectifs et les moyens de mise en œuvre de projets relatifs aux énergies renouvelables et à la récupération d'énergie. L'objectif est de réaliser une analyse du potentiel de récupération énergétique des effluents en sortie de station d'épuration et de proposer des solutions de mise en œuvre. Deux sites sont étudiés : la STEP de Vert-le-Grand d'une taille de 3970 équivalents habitants et traitant une charge hydraulique de l'ordre de 1400 \si{\cubic m}/jour et la STEP de Lardy-Janville d'une taille de 12680 EH et traitant une charge hydraulique de l'ordre de 2370 \si{\cubic m}/jour. La récupération de la chaleur des effluents en sortie de station a été considérée pour la STEP de Lardy-Janville, étant donné que le débit (70 \si{\cubic m}/h en moyenne annuelle) et la température (entre 10$^{\circ}$C et 20$^{\circ}$C suivant la saison) sont suffisants mais l'impossibilité d'utiliser localement la chaleur ou de l'injecter dans un réseau urbain ont remis en cause cette solution. L'idée originale de ce projet est alors de considérer cette ressource énergétique non pas comme une source chaude d'un procédé de production mais de l'envisager comme une source froide thermiquement très stable tout au long de l'année. L'option envisagée, objet de cette étude est donc la production d'électricité par un cycle thermodynamique de type ORC en utilisant un système à concentration solaire comme source chaude (rendu possible par la surface au sol disponible dans l'enceinte même des STEP) et d'utiliser les effluents de sortie comme source froide au condenseur de la boucle thermodynamique. Le principal avantage de cette solution est qu'elle utilise deux sources énergétiques gratuites et abondantes. Une pré-étude sur la STEP de Lardy-Janville a montré que pour un ensoleillement moyen de 400 W/m² sur une période allant de mars à septembre et une surface disponible d'environ 3500 m², la production d'électricité moyenne s'élèverait à plus 500 MWh, couvrant ainsi la totalité des besoins de la STEP sur la période donnée. La suite du travail est de compléter cette pré-étude par une modélisation plus fine des performances et de la production attendue en prenant en compte la variabilité des sources chaude et froide, puis de dimensionner et d'installer un démonstrateur sur site qui intégrera des solutions d'optimisation comme un système de stockage thermique. L'objectif est de faire la preuve du concept à l'aide de ce prototype avant d'envisager un déploiement à plus grande échelle.

The technological evolution of IGBT components requires a strong increase in power density. This increase in power density leads to very high temperature fields and gradients in the components and makes it necessary to know the thermal constraints. The temperature is thus one of the dimensioning elements of the converters and is at the centre of the concerns of the designers.To characterize these components, we used thermoreflectance during this thesis. The work presented in this thesis consists of three main parts. First, we highlight the problem of registration in the thermoreflectance domain. We study two subpixel shift methods in order to choose the most adequate method to obtain an accurate reflectivity measurement. The results show that subpixel cross-correlation registration with a precise step size gives better results and that this step size is directly correlated with the noise level of the images.In the second part, we present a measurement methodology on an IGBT chip packaged in a power module. This methodology aims to determine several experimental parameters (optimal wavelength, minimum excitation frequency and influence of image accumulation on noise) and to choose the most suitable calibration method for this type of device. Then, we perform a detailed thermal study on the metallization of IGBT emitter.Finally, we perform thermal measurements through the silicone gel and study the influence of aging on the thermal mapping. The results obtained perfectly reflect the reality of the thermal behaviour of IGBTs in power modules.The thermal measurements performed in this thesis have shown the ability of thermoreflectance to have a high spatial resolution of the temperature and thus to trace the individual behaviour of the IGBT cells., L’évolution technologique de composants d’IGBT passe par une forte augmentation des densités de puissance. Cette augmentation de la densité de puissance entraîne des champs et gradients de températures très élevés au niveau des composants et rendent nécessaire la connaissance des contraintes thermiques. La température est donc un des éléments dimensionnant des convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs.Pour caractériser ces composants, nous avons utilisé la thermoréflectance durant cette thèse. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de trois grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence la problématique de recalage dans le domaine de thermoréflectance. Nous étudions deux méthodes de recalage subpixellique afin de choisir la méthode la plus adéquate afin d’obtenir une mesure de réflectivité précise. Les résultats montrent que le recalage par corrélation croisée subpixellisé avec un pas précise donne des meilleurs résultats et que ce pas est corrélé directement avec le niveau de bruit des images.Dans seconde temps, nous présentons une méthodologie de mesure sur une puce IGBT packagée dans un module de puissance. Cette méthodologie a but de déterminer plusieurs paramètre expérimentaux (longueur d’onde optimale, la fréquence d’excitation minimale et l’influence d’accumulation d’images sur le bruit) et de choisir la méthode de calibration là mieux adaptée pour ce type de composants. Ensuite, nous réalisons une étude thermique détaillée sur la métallisation d’émetteur IGBT.Enfin, nous réalisons des mesures thermiques à travers le gel de silicone et nous étudions l’influence de vieillissement sur la cartographie thermique. Les résultats obtenus reflètent parfaitement la réalité du comportement thermique des IGBT dans les modules de puissance.Les mesures thermiques réalisé dans cette thèse ont montrés la capacité de la thermoréflectance pour avoir une haute résolution spatiale de la température et ainsi remonter au comportement individuel des cellules des IGBT.

L’étude des transferts thermiques, la compréhension de l’interface coffrage/béton ou la valorisation de sous-produits pour qu’elle soit la plus juste possible demande une caractérisation expérimentale précise qui peut alimenter la modélisation. Ce mémoire d’habilitation à diriger des recherches présente une synthèse des travaux ayant consistée principalement au développement ou à l’utilisation de dispositifs expérimentaux par des travaux en laboratoire ou in-situ. Il s’articule en trois chapitres. Le premier présente une notice détaillée de mes activités d’enseignement et de recherche ainsi que des responsabilités administratives et collectives. Le deuxième chapitre présente mes actions de recherche dans trois domaines : - Etude du comportement thermique des parois avec la caractérisation de matériaux fibreux (ouate de polyester, laine de chanvre, laine de verre et textile recyclé) par la détermination des transferts par rayonnement et, par l’instrumentation et la modélisation de parois composées de murs végétalisés complexes ou simples (lierre et vigne vierge). - Analyse de l’interface coffrage/béton et plus particulièrement sur l’utilisation d’agents de démoulage (huile et émulsion) par des caractérisations physico-chimique et de surface, l’utilisation du tribomètre plan/plan et la qualité des parements en béton. - Incorporation de sous-produits dans les matrices cimentaires pour la création de blocs de maçonnerie à base de kaolin du Cameroun ou à base de cendres volantes de biomasse bois par des essais en laboratoire et industriel aux états frais et durci. Pour finir, le troisième chapitre donne les conclusions et les perspectives de ces travaux de recherche.

This Habilitation thesis (Habilitation à Diriger des Recherches - HDR) manuscript focuses on my research work carried out within the Fuel Studies Department (DEC) of the the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) since 2009. The first of my two main lines of research focuses on efficiency and precision of multiphysics couplings. In this context, I worked around the formalism of convergence acceleration of vector fixed point series, the reduced order modeling for the contact mechanics, but also around advanced multiphysics modeling and simulation for understanding the mechanism of pellet-cladding gap closure in fast neutron reactors.My second major area of research concerns the implementation of multiscale couplings for solid mechanics and for different scale ratios. I thus contributed to develop adaptive local multigrid mesh refinement techniques for nonlinear mechanics and I also worked around the industrial implementation of full field numerical homogenization methods based on the finite element square approach.; Ce manuscrit d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) se focalise sur mes travaux de recherche menés au sein du Département d'Études des Combustibles (DEC) du Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) depuis 2009. Le premier de mes deux grands axes de recherche s'articule autour del'efficacité et de la précision des couplages multiphysiques. Dans ce cadre, j'ai travaillé autour du formalisme d'accélération de convergence des suites vectorielles de point fixe, de la réduction d'ordre de modèle pour la mécanique du contact, mais également autour de la modélisation et simulation multiphysiques avancées pour lacompréhension du mécanisme de rattrapage du jeu pastille-gaine dans les réacteurs à neutrons rapides.Mon deuxième grand axe de recherche concerne la mise en oeuvre de couplages multiéchelles pour la mécanique des solides et ce pour différents rapports d'échelles. J'ai ainsi contribué à développer des techniques de raffinement adaptatif de maillage de type multigrille local pour la mécanique non linéaire et j'ai également travaillé autour de la mise en oeuvre industrielle de méthodes d'homogénéisation numérique par champs complets de type éléments finis au carré.

The rotary kiln is widely used for the thermal treatment of granular materials in various industries. A better understanding of the heat transfer phenomena, both inside and outside of the industrial rotary kiln, will lead to developing sustainable production techniques, such as materials recycling and heat waste recovery. The present paper summarises two complementary works based on infrared measurements. The first, by Le Guen et al. [5], was conducted at the industrial scale and sought to correlate the external wall temperature with the thermal behaviour of rotary kilns. The second, by Huchet et al. [17], was performed at the pilot scale in order to derive the external heat transfer coefficient into heat waste recovery. A combination of these two approaches, based on a physical model of the full system at a large scale, is provided while the inherent energy efficiencies are calculated from the logarithmic mean temperature difference.

Atelier du club Ville et aménagement sur l'adaptation au changement climatique, Online, , 12-/03/2021 - 12/03/2021; Face à l'urbanisation et au changement climatique qui ont des effets néfastes sur le bilan énergétique (îlot de chaleur urbain) et le cycle de l'eau (crues plus intenses et plus fréquentes, périodes d'étiage plus longues et plus marquées, recharge des nappes limitées), des solutions d'adaptation sont nécessaires: elles jouent sur les différents processus perturbés par les surfaces imperméabilisées. Les solutions fondées sur la nature en font partie. Des observations dans le cadre de l'ONEVU à l'échelle d'une noue montrent l'intérêt d'une telle solution pour limiter le pic de débit, et à l'échelle du quartier le lien entre température et taux de végétalisation est mis en avant. La modélisation microclimatique de scénarios idéalisés démontrent l'impact de plusieurs solutions végétalisées sur la régulation de la température de l'air. La modélisation hydrologique, à l'échelle du quartier confirme l'intérêt des noues pour améliorer la gestion des eaux pluviales ainsi que des toitures végétalisées. A l'échelle d'un secteur de ville, l'impact de la végétation sur le ruissellement de surface et les flux de chaleur latente est mise en évidence. Par ailleurs, il est aussi soulevé la question de la ressource en eau à disposition dans le cadre d'une intégration massive d'arbres. Enfin, le projet Nature4Cities est présenté : un catalogue de solutions fondées sur la nature est disponible désormais et un outil d'aide à la décision a été développé.

The safety of the elderly people is a major public health issue. The work of this Thesis concerned more particularly a fall detection and prevention system that can be used in retirement homes or in the home of autonomous people. For this, we used a low-cost device composed of a depth camera and a thermal camera. This device works autonomously, in real time, day and night and allows to preserve the privacy of the person. The objective of the thesis was to develop algorithms for tracking the person and identifying his activity in order to extract, in the short term, parameters for the detection of the fall and, in the long term, indices of the person's fragility. For this Thesis, we explored two strategies allowing this monitoring: 1) A people tracking method based on particle filtering. In this approach, the information acquired by the two cameras was merged in order to follow the person's head throughout the image sequence. 2) A method of recognizing the person's activity based on deep learning applied on thermal and depth image sequences. We chose to detect four postures (sitting, standing, lying down and fall) from an own acquired dataset. We believe that in the long term, the analysis of the temporal sequence of the postures extracted by our algorithms will allow to detect signs of frailty of the elderly person., La sécurité des personnes âgées est un enjeu majeur de santé publique. Les travaux de cette Thèse ont porté plus particulièrement un système de détection et de prévention des chutes pouvant être utilisé en Ehpad ou au domicile des personnes autonomes. Pour cela, nous avons utilisé un dispositif à bas coût composé d'une caméra de profondeur et d'une caméra thermique. Ce dispositif fonctionne d'une façon autonome, en temps réel, de jour comme de nuit et permet de préserver l'anonymat de la personne. L'objectif de la thèse était de développer des algorithmes de suivi de la personne et d'identification de son activité afin d'extraire, à court terme, des paramètres pour la détection de la chute et, à long terme, des indices de la fragilité de la personne. Pour cette Thèse, nous avons exploré deux stratégies permettant ce suivi : 1) Une méthode classique de suivi de la personne basée sur du filtrage particulaire. Dans cette approche, les informations acquises par les deux caméras ont été fusionnées afin de suivre la tête de la personne tout au long de la séquence d'images. 2) Une méthode de reconnaissance de l'activité de la personne à partir d’un apprentissage profond sur les séquences d'images thermiques et de profondeurs. Nous avons choisi de détecter quatre postures (assis, debout, allongé sur le lit et allongé par terre) à partir de nos propres bases de données. Nous pensons qu'a terme, l'analyse de la séquence temporelle des postures extraites par nos algorithmes permettra de détecter les signes de fragilité de la personne âgés.

The FFF (Fused Filament Fabrication) additive manufacturing process consists in extruding a molten polymer along a path with trajectories defined from a 3D definition of the part. One of the major drawbacks of this process is the reduction of the mechanical properties of the parts compared to conventional manufacturing by injection. On the one hand, this reduction of properties is linked to the presence of macroporosities in the part and, on the other hand, to the limited adhesion between the deposited layers. These two phenomena strongly depend on the thermal history of the polymer. This thesis work gives the prediction of the thermal conditions leading to sufficient adhesion, to manufacture parts that are mechanically strong enough. An instrumented bench was developed from a 3D printer in order to measure the cooling, at the filament scale, of the parts printed in PEKK material. In parallel, heat transfer of the FFF process were simulated using a model, validated with the experimental data provided by the bench. The adhesion was also modeled by describing the phenomena of coalescence and scarring of the interface. The physical properties necessary for the models were characterized with the consideration of their thermodependencies. A parametric study was therefore performed in order to quantify the influence of each parameter on the temperature of the polymer, as well as on the interlayer adhesion, thus participating in the definition of the process window.; Le procédé de fabrication additive FFF (Fused Filament Fabrication) consiste à extruder un polymère fondu selon un chemin dont les trajectoires sont définies à partir d’une définition 3D de la pièce. L’un des inconvénients majeurs de ce procédé est la diminution des propriétés mécaniques des pièces par rapport à la fabrication conventionnelle par injection. Cette diminution des propriétés est liée d’une part à la présence de macroporosités dans la pièce et d’autre part à l’adhésion limitée entre les couches déposées. Ces deux phénomènes dépendent fortement de l’histoire thermique du polymère. Ce travail de thèse permet de prédire les conditions thermiques menant à une adhésion suffisante, pour fabriquer des pièces assez résistantes mécaniquement. Un banc instrumenté a ainsi été conçu et développé à partir d’une imprimante 3D, afin de mesurer le refroidissement, à l’échelle du cordon, de pièces imprimées en PEKK. En parallèle, la thermique du procédé a été simulée à l’aide d’un modèle, validé avec les données expérimentales apportées par le banc. L’adhésion a également été modélisée en décrivant les phénomènes de coalescence et de cicatrisation d’interface. Les propriétés physiques nécessaires aux modèles ont été caractérisées avec la prise en compte de leurs thermodépendances. Une étude paramétrique a donc permis de quantifier l’influence de chaque paramètre sur la thermique du polymère, ainsi que sur l’adhésion intercouche, participant ainsi à la définition de la fenêtre procédé.

At the nanoscale, thermal and vibrational properties are intimately linked and depend on the shape and composition of the material. Thanks to the nanostructuration, nanocomposites allow a better control of the heat transfer. This can be used to improve the performances of thermoelectric generators through a better insulation, but also to improve the heat management in microelectronics application. In this work, the thermal properties of some nanocomposites are studied using atomistic level simulations, thanks to molecular dynamics. In a first part, the focus is laid on nanocomposites composed of an amorphous matrix and crystalline nano-inclusions. The approach separating the propagative and diffusive contribution, developed for amorphous materials, is used. The ballistic contribution where the heat is propagated by plane waves is systematically impacted by the nanostructuration. Whereas affecting the diffusive contribution, that spreads the heat slowly at the nanoscale, is more challenging. This can be done, for instance, through pores or inclusions softer than the matrix but in variable proportions. A second part is dedicated to the study of silicon nanowires, and the impact of amorphization. For this, the transport of energy as a function of frequency in crystalline core amorphous shell nanowire is studied. An amorphous shell causes the apparition of diffusive transport and the decrease in transmission at low frequencies. Then, molecular dynamics are coupled to hydrodynamic heat equations to study the radial distribution of flux in those nanowires. This analysis suggests that the reduction of the thermal conductivity upon the addition of shell cannot be linked solely to modified interface properties, but are rather due to a global effect of the shell on the mean free path of heat carriers. Finally, it is shown that structuration of the amorphous layer in a conical shape can be used to obtain thermal rectification, that is, a spatial asymmetry in thermal transport. This rectification appears to be caused by the perturbation of transmission at low frequencies., À l'échelle nanométrique, les propriétés thermiques et vibratoires sont intimement liées et dépendent de la forme et de la composition des matériaux. Grâce à la nanostructuration, les nanocomposites permettent un meilleur contrôle du transport thermique. Ceci permet notamment d'améliorer les performances des générateurs thermoélectriques en offrant de meilleurs isolants, mais aussi une meilleure gestion de la chaleur dans les composants électroniques. Dans ce travail, les propriétés thermiques de quelques nanocomposites sont étudiées en utilisant des calculs à l'échelle atomiques, par le biais de la modélisation de Dynamique Moléculaire. Dans un premier temps, l'accent est mis sur des nanocomposites constitués d'une matrice amorphe et de nano-inclusions cristallines. L'approche développée pour les amorphes, séparant la partie balistique du transfert thermique qui prend la forme d'onde plane se propageant dans le matériau et la partie diffusive repartissant lentement l'énergie dans le matériau, est mise à profit. La séparation de ces contributions a montré que si la structuration affecte systématiquement la partie balistique, maîtriser l'impact sur le transport diffusif est plus complexe. Celui-ci peut notamment être réduit par la présence de pores ou d'inclusions plus molles que la matrice, mais dans des proportions variables. Une deuxième partie est consacrée à l'étude des nanofils de silicium, et à l'impact de l'amorphisation de ceux-ci. Pour cela, le transport d'énergie en fonction de la fréquence dans des nanofils avec une âme cristalline et une coque amorphe est étudié. La coque amorphe provoque l'apparition d'un transport diffusif et une baisse de transmission aux basses fréquences. Ensuite, la dynamique moléculaire est couplée aux équations hydrodynamiques du transport de chaleur. Ce couplage est mis à profit pour étudier la distribution radiale du flux de chaleur en régime établie dans les nanofils cylindriques avec une couche amorphe régulière. Cette analyse suggère que la réduction de la conductivité thermique due à l'ajout de la coque n'est pas uniquement liée aux changements des propriétés de l'interface, mais plutôt à un effet global de la coque amorphe sur le libre parcours moyen. Finalement, la structuration en cône de la couche amorphe est utilisée pour induire une rectification thermique, c’est-à-dire une asymétrie spatiale dans le transport thermique. Cette rectification semble être due à la perturbation de la propagation des porteurs de chaleur à basses fréquences.

Thermoplasmonics is a branch of plasmonics exploiting thermal phenomena in metallic structures. Long regarded as problematic, Joule losses due to the absorption of light by metallic nanoparticles are now considered as a starting point for many applications: thermal nanosources in medicine, magnetic recording, chemical catalysis, thermotronics or energy conversion.The use of femtosecond lasers on plasmonic structures, allows the creation of spatially confined nanosources of heat reaching very high electronic temperatures compared to the temperature of the atomic lattice. The absorption by a metal of a pulse of energy can be described in three main steps. Firstly, an absorption of photons by the electrons of the metal increases the electron energy on the scale of a hundred femtoseconds with electronic temperatures that can reach thousands of Kelvin, while the lattice temperature remains almost constant. Then, a second step, in which the electron-phonon interactions transmit the energy absorbed by the electrons to the grid, allowing the electrons and phonons to reach equilibrium. Finally, the energy is dissipated into the substrate surrounding the metal by thermal conduction.Many models exist in the literature to describe the non-equilibrium between electrons and phonons. However, a rigorous and quantitative comparison with experimental data is lacking to validate or invalidate these models. This was the main objective of this study.To study these phenomena, I used a pump-probe experiment where the pump allows an ultra-fast heating of the sample which causes a change in the permittivity of the metal. The probe beam then allows to measure the variations in the reflection and transmission spectrum, caused by the change in permittivity.I set up a numerical code allowing to model the temperature evolution in a 3D mesh of a structure composed of dielectric and metallic elements. This thermal model takes into account the various energy transport phenomena in a metal such as electron-phonon coupling, electron and phonon thermal conduction and ballistic displacement of non-thermalized electrons. Then, via a model of permittivity as a function of temperature taking into account the interband and intraband transitions, this model was coupled to an optical model to simulate the evolution of the optical spectra of a structure as a function of its temperature in order to be able to confront this numerical model with the experimental results by data fitting.This numerical model has been validated on numerous pump-probe experiments carried out on gold films of various thicknesses and gold nanostructure arrays on glass or gold film. We were able to show that, among the very large number of optical and thermal parameters involved in the model, all these experimental data could be adjusted using a very small number of free parameters, thus confirming the robustness of the model. Finally, this model was used to design and optimize samples allowing the experimental demonstration of heat propagation on scales of a few hundred nanometers within a gold nanostructure.; La thermoplasmonique est une branche de la plasmonique exploitant les phénomènes thermiques dans des structures métalliques. Longtemps regardées comme problématique, les pertes par effet Joule dues à l’absorption de la lumière par des nanoparticules métalliques sont maintenant considérées comme un point de départ pour de nombreuses applications : nanosources thermiques en médecine, enregistrement magnétique, catalyse chimique, thermotronique ou la conversion d’énergie.L’usage de laser femtosecondes sur des structures plasmoniques, permet de créer des nanosources thermiques confinées spatialement atteignant des températures électroniques très élevées devant la température du réseau atomique. L'absorption par un métal d'une impulsion d'énergie peut être décrite en trois étapes principales. Tout d'abord, une absorption des photons par les électrons du métal augmentant l'énergie des électrons à l'échelle de la centaine de femtosecondes avec des températures électroniques pouvant atteindre des milliers de degrés Kelvin alors que la température du réseau, elle, reste quasiment constante. Puis une deuxième étape au cours de laquelle les interactions électron-phonon transmettent l'énergie absorbée par les électrons au réseau, ce qui permet à l'énergie des électrons et du réseau d'atteindre un équilibre. Enfin, l’énergie est dissipée dans le substrat entourant le métal par conduction thermique.Il existe un grand nombre de modèles dans la littérature permettant de décrire le non-équilibre entre électrons et phonons mais cependant, une comparaison rigoureuse et quantitative avec des données expérimentales fait défaut pour valider ou invalider ces modèles. Cela a été l’objectif principal de cette étude.Afin d’étudier ces phénomènes, j’ai utilisé une expérience pompe-sonde où la pompe permet un chauffage ultra-rapide de l’échantillon ce qui provoque un changement de la permittivité dudit matériau. Le faisceau sonde permet alors de mesurer les variations dans le spectre de réflexion et de transmission, provoquées par le changement de permittivité.J’ai mis en place un code numérique permettant de modéliser l’évolution de la température dans un maillage 3D d’une structure composé d’éléments diélectriques et métalliques. Ce modèle thermique prend en compte les divers phénomènes de transport d’énergie dans un métal tel que le couplage électron-phonon, la conduction thermique électronique et des phonons et le déplacement balistique des électrons non thermalisés. Puis, via un modèle de la permittivité en fonction de la température prenant en compte les transitions interbandes et intrabandes, ce modèle a été couplé à un modèle optique permettant de simuler l’évolution des spectres optiques d’une structure en fonction de sa température afin de pouvoir confronter ce modèle numérique aux résultats expérimentaux par des ajustements des données.Ce modèle numérique a été validé sur de nombreuses expériences pompe-sonde effectuées sur des films d’or de diverses épaisseurs et des réseaux de nanostructures d’or sur verre ou sur film d’or. Nous avons pu montrer que parmi le très grand nombre de paramètres optiques et thermiques intervenant dans le modèle, toutes ces données expérimentales pouvaient être ajustées en utilisant un très petit nombre de paramètres libres, confirmant ainsi la robustesse du modèle. Enfin, ce modèle a pu être utilisé pour concevoir et optimiser des réseaux de structures permettant la mise en évidence expérimentale de la propagation de la chaleur sur des échelles de quelques centaines de nanomètre au sein d’une nanostructure d’or.

Thermoplasmonics is a branch of plasmonics exploiting thermal phenomena in metallic structures. Long regarded as problematic, Joule losses due to the absorption of light by metallic nanoparticles are now considered as a starting point for many applications: thermal nanosources in medicine, magnetic recording, chemical catalysis, thermotronics or energy conversion.The use of femtosecond lasers on plasmonic structures, allows the creation of spatially confined nanosources of heat reaching very high electronic temperatures compared to the temperature of the atomic lattice. The absorption by a metal of a pulse of energy can be described in three main steps. Firstly, an absorption of photons by the electrons of the metal increases the electron energy on the scale of a hundred femtoseconds with electronic temperatures that can reach thousands of Kelvin, while the lattice temperature remains almost constant. Then, a second step, in which the electron-phonon interactions transmit the energy absorbed by the electrons to the grid, allowing the electrons and phonons to reach equilibrium. Finally, the energy is dissipated into the substrate surrounding the metal by thermal conduction.Many models exist in the literature to describe the non-equilibrium between electrons and phonons. However, a rigorous and quantitative comparison with experimental data is lacking to validate or invalidate these models. This was the main objective of this study.To study these phenomena, I used a pump-probe experiment where the pump allows an ultra-fast heating of the sample which causes a change in the permittivity of the metal. The probe beam then allows to measure the variations in the reflection and transmission spectrum, caused by the change in permittivity.I set up a numerical code allowing to model the temperature evolution in a 3D mesh of a structure composed of dielectric and metallic elements. This thermal model takes into account the various energy transport phenomena in a metal such as electron-phonon coupling, electron and phonon thermal conduction and ballistic displacement of non-thermalized electrons. Then, via a model of permittivity as a function of temperature taking into account the interband and intraband transitions, this model was coupled to an optical model to simulate the evolution of the optical spectra of a structure as a function of its temperature in order to be able to confront this numerical model with the experimental results by data fitting.This numerical model has been validated on numerous pump-probe experiments carried out on gold films of various thicknesses and gold nanostructure arrays on glass or gold film. We were able to show that, among the very large number of optical and thermal parameters involved in the model, all these experimental data could be adjusted using a very small number of free parameters, thus confirming the robustness of the model. Finally, this model was used to design and optimize samples allowing the experimental demonstration of heat propagation on scales of a few hundred nanometers within a gold nanostructure.; La thermoplasmonique est une branche de la plasmonique exploitant les phénomènes thermiques dans des structures métalliques. Longtemps regardées comme problématique, les pertes par effet Joule dues à l’absorption de la lumière par des nanoparticules métalliques sont maintenant considérées comme un point de départ pour de nombreuses applications : nanosources thermiques en médecine, enregistrement magnétique, catalyse chimique, thermotronique ou la conversion d’énergie.L’usage de laser femtosecondes sur des structures plasmoniques, permet de créer des nanosources thermiques confinées spatialement atteignant des températures électroniques très élevées devant la température du réseau atomique. L'absorption par un métal d'une impulsion d'énergie peut être décrite en trois étapes principales. Tout d'abord, une absorption des photons par les électrons du métal augmentant l'énergie des électrons à l'échelle de la centaine de femtosecondes avec des températures électroniques pouvant atteindre des milliers de degrés Kelvin alors que la température du réseau, elle, reste quasiment constante. Puis une deuxième étape au cours de laquelle les interactions électron-phonon transmettent l'énergie absorbée par les électrons au réseau, ce qui permet à l'énergie des électrons et du réseau d'atteindre un équilibre. Enfin, l’énergie est dissipée dans le substrat entourant le métal par conduction thermique.Il existe un grand nombre de modèles dans la littérature permettant de décrire le non-équilibre entre électrons et phonons mais cependant, une comparaison rigoureuse et quantitative avec des données expérimentales fait défaut pour valider ou invalider ces modèles. Cela a été l’objectif principal de cette étude.Afin d’étudier ces phénomènes, j’ai utilisé une expérience pompe-sonde où la pompe permet un chauffage ultra-rapide de l’échantillon ce qui provoque un changement de la permittivité dudit matériau. Le faisceau sonde permet alors de mesurer les variations dans le spectre de réflexion et de transmission, provoquées par le changement de permittivité.J’ai mis en place un code numérique permettant de modéliser l’évolution de la température dans un maillage 3D d’une structure composé d’éléments diélectriques et métalliques. Ce modèle thermique prend en compte les divers phénomènes de transport d’énergie dans un métal tel que le couplage électron-phonon, la conduction thermique électronique et des phonons et le déplacement balistique des électrons non thermalisés. Puis, via un modèle de la permittivité en fonction de la température prenant en compte les transitions interbandes et intrabandes, ce modèle a été couplé à un modèle optique permettant de simuler l’évolution des spectres optiques d’une structure en fonction de sa température afin de pouvoir confronter ce modèle numérique aux résultats expérimentaux par des ajustements des données.Ce modèle numérique a été validé sur de nombreuses expériences pompe-sonde effectuées sur des films d’or de diverses épaisseurs et des réseaux de nanostructures d’or sur verre ou sur film d’or. Nous avons pu montrer que parmi le très grand nombre de paramètres optiques et thermiques intervenant dans le modèle, toutes ces données expérimentales pouvaient être ajustées en utilisant un très petit nombre de paramètres libres, confirmant ainsi la robustesse du modèle. Enfin, ce modèle a pu être utilisé pour concevoir et optimiser des réseaux de structures permettant la mise en évidence expérimentale de la propagation de la chaleur sur des échelles de quelques centaines de nanomètre au sein d’une nanostructure d’or.

Nowadays, it is essential to find solutions to detect and prevent the falls of seniors. We proposed a low-cost device based on a pair of thermal sensors. The counterpart of these low-cost sensors is their low resolution (80x60 pixels), low refresh rate, noise, and halo effects. We proposed some approaches to bypass these drawbacks. First, we proposed a calibration method with a grid adapted to the thermal image and a framework ensuring the robustness of the parameters estimation despite the low resolution. Then, for 3D vision, we proposed a threefold sub-pixel stereo matching framework (called ST for Subpixel Thermal): 1) robust features extraction method based on phase congruency, 2) matching of these features in pixel precision, and 3) refined matching in sub-pixel accuracy based on local phase correlation. We also proposed a super-resolution method called Edge Focused Thermal Super-resolution (EFTS), which includes an edge extraction module enforcing the neural networks to focus on the edge in images. After that, for fall detection, we proposed a new method (called TSFD for Thermal Stereo Fall Detection) based on stereo point matching but without calibration and the classification of matches as on the ground or not on the ground. Finally, we explored many approaches to learn activities from a limited amount of data for seniors activity monitoring.; De nos jours, il est important de trouver des solutions pour détecter et prévenir les chutes des personnes âgées. Nous avons proposé un dispositif bas-coût à base d'une paire de capteurs thermiques. La contrepartie de ces capteurs bas-coût est leur faible résolution (80x60 pixels), la faible fréquence de rafraîchissement, le bruit et des effets de halo. Nous avons donc proposé quelques approches pour contourner ces inconvénients. Tout d'abord, nous avons proposé une nouvelle méthode de calibration avec une grille adaptée à l'image thermique et une méthodologie assurant la robustesse de l'estimation des paramètres malgré la faible résolution. Ensuite, pour la vision 3D, nous avons proposé une méthode de mise en correspondance stéréo avec une précision sous-pixels (appelée ST pour Subpixel Thermal) composée : 1) d'une méthode robuste d'extraction des caractéristiques basée sur la congruence de phase, 2) d'une mise en correspondance de ces caractéristiques au pixel près, et 3) d'une mise correspondance raffinée en précision sous-pixel basée sur la corrélation de phase locale. Nous avons également proposé une méthode de super-résolution appelée Edge Focused Thermal Super-Resolution (EFTS) qui contient un module d'extraction de contours amenant le réseau de neurones artificiels de se concentrer sur les contours des objets dans les images. Par la suite, pour la détection des chutes, nous avons proposé une nouvelle méthode (TSFD pour Thermal Stereo Fall Détection) basée sur les correspondances stéréo mais sans calibration et un apprentissage de points au sol. Enfin, pour la surveillance des activités des personnes âgées, nous avons exploré de nombreuses approches basées sur l'apprentissage profond pour classer des activités avec une quantité limitée de données d'apprentissage.

Nowadays, it is essential to find solutions to detect and prevent the falls of seniors. We proposed a low-cost device based on a pair of thermal sensors. The counterpart of these low-cost sensors is their low resolution (80x60 pixels), low refresh rate, noise, and halo effects. We proposed some approaches to bypass these drawbacks. First, we proposed a calibration method with a grid adapted to the thermal image and a framework ensuring the robustness of the parameters estimation despite the low resolution. Then, for 3D vision, we proposed a threefold sub-pixel stereo matching framework (called ST for Subpixel Thermal): 1) robust features extraction method based on phase congruency, 2) matching of these features in pixel precision, and 3) refined matching in sub-pixel accuracy based on local phase correlation. We also proposed a super-resolution method called Edge Focused Thermal Super-resolution (EFTS), which includes an edge extraction module enforcing the neural networks to focus on the edge in images. After that, for fall detection, we proposed a new method (called TSFD for Thermal Stereo Fall Detection) based on stereo point matching but without calibration and the classification of matches as on the ground or not on the ground. Finally, we explored many approaches to learn activities from a limited amount of data for seniors activity monitoring., De nos jours, il est important de trouver des solutions pour détecter et prévenir les chutes des personnes âgées. Nous avons proposé un dispositif bas coût à base d’une paire de capteurs thermiques. La contrepartie de ces capteurs bas-coût est leur faible résolution (80x60 pixels), la faible fréquence de rafraîchissement, le bruit et des effets de halo. Nous avons donc proposé quelques approches pour contourner ces inconvénients. Tout d’abord, nous avons proposé une nouvelle méthode de calibration avec une grille adaptée à l’image thermique et une méthodologie assurant la robustesse de l’estimation des paramètres malgré la faible résolution. Ensuite, pour la vision 3D, nous avons proposé une méthode de mise en correspondance stéréo avec une précision sous-pixels (appelée ST pour Subpixel Thermal) composée : 1) d’une méthode robuste d’extraction des caractéristiques basée sur la congruence de phase, 2) d’une mise en correspondance de ces caractéristiques au pixel près, et 3) d’une mise correspondance raffinée en précision sous-pixel basée sur la corrélation de phase locale. Nous avons également proposé une méthode de super-résolution appelée Edge Focused Thermal Super-Resolution (EFTS) qui contient un module d’extraction de contours amenant le réseau de neurones artificiels de se concentrer sur les contours des objets dans les images. Par la suite, pour la détection des chutes, nous avons proposé une nouvelle méthode (TSFD pour Thermal Stereo Fall Détection) basée sur les correspondances stéréo mais sans calibration et un apprentissage de points au sol. Enfin, pour la surveillance des activités des personnes âgées, nous avons exploré de nombreuses approches basées sur l’apprentissage profond pour classer des activités avec une quantité limitée de données d’apprentissage.

This thesis deals with the study of thermochromic glazing (TCG) exposed to solar radiation in building physics. This research work is part of the building envelope energy efficiency thematic. Indeed, the TCG, which is an innovative and dynamic technology, has the capacity to modulate its energy transmission according to its own temperature. For tropical areas where there is a large amount of solar energy, this type of glazing can, on its own, significantly reduce the transmission of heat inside buildings while maintaining a sufficient amount of natural light for the comfort of the occupants. The goal is therefore to model the behaviour of the TCG. First of all, a unique experiment in a tropical environment has been set up on a scale 1 experimental cell equipped with a TCG. It was possible to draw several conclusions from the observations: the temperature field of the TCG is sensitive to the absorption of solar radiation and presents a heterogeneous distribution when close masks are present (as in our case). From these experimental observations, an original model was proposed. It is, on one hand, the formulation of the function that governs the variation of the thermo-optical properties as a function of temperature; and on the other hand, a two-dimensional spatial discretisation model on the surface of the TCG taking into account the solicitations of solar radiation and close masks. The 2D model was then implemented in a global building system with the 1D thermal model and the daylighting model. All models have been integrated into PITAYA: Platform for the integrated thermal and daylighting analysis. Finally, the PITAYA models were compared with the measurements from the experiment for validation. The results of the thermal validation show that the model is reliable and accurate. Nevertheless, the results in photometry, which are encouraging, require further improvements to the model.; Cette thèse présente l’étude du vitrage thermochrome (VTC) soumis au rayonnement solaire en physique du bâtiment. Ce travail de recherche s’inscrit dans la thématique de l’efficacité énergétique de l’enveloppe du bâtiment. En effet, le VTC, qui est une technologie innovante et dynamique, a la capacité de moduler sa transmission d’énergie en fonction de sa propre température. Pour les milieux tropicaux où le gisement solaire est important, ce type de vitrage peut de façon autonome, réduire significativement la transmission de chaleur à l’intérieur des bâtiments tout en maintenant une quantité de lumière naturelle suffisante pour le confort des occupants. Le but est donc de modéliser le comportement du VTC. Tout d’abord, une expérimentation unique en milieu tropical a été mise en place sur une cellule expérimentale à échelle 1 équipée d’un VTC. Il a été possible de tirer plusieurs conclusions suites aux observations : le champ de température du VTC est sensible à l’absorption du rayonnement solaire et il présente une répartition hétérogène quand des masques proches sont présents (comme dans notre cas). À partir de ces observations expérimentales, un modèle original a été proposé. Il s’agit d’une part de la formulation de la fonction qui régit la variation des propriétés thermo-optiques en fonction de la température ; et d’autre part, un modèle à discrétisation spatiale en deux dimensions sur la surface du VTC en prenant en compte les sollicitations du rayonnement solaire et des masques proches. Le modèle 2D a ensuite été implémenté dans un système global de bâtiment avec le modèle thermique 1D et le modèle d’éclairement naturel. Tous les modèles ont été intégrés dans PITAYA : plateforme pour l’analyse intégrée de la thermique et de l’éclairement naturel. Finalement, les modèles de PITAYA ont été confrontés aux mesures issues de l’expérimentation pour une validation. Les résultats de validation sur la thermique montrent que le modèle est fiable et précis. Néanmoins, les résultats en photométrie, qui sont encourageants, nécessitent d’apporter des améliorations supplémentaires au modèle.

Il s’est développé, durant la seconde moitié du xxe siècle, un regain d’intérêt pour l’architecture vernaculaire : plusieurs architectes, thermiciens et chercheurs ont essayé de défendre la valeur de certaines constructions vernaculaires et traditionnelles à partir de critères thermiques et de considérations climatiques. Nous soutenons que c’est le développement de ce que l’on nomme « l’approche bioclimatique » en architecture – qui intègre les apports énergétiques issus du climat pour expliquer des choix techniques et architecturaux – qui a permis de renouveler le regard sur les constructions vernaculaires et traditionnelles. Cette approche, tout en développant une compréhension plus fine du comportement thermique des constructions anciennes, a engagé de nombreux architectes à se réapproprier certains éléments et choix techniques de l’architecture du passé afin de répondre aux impératifs issus de la crise de l’énergie. During the second half of the 20th century, there was a revival of interest in vernacular architecture: several architects, thermal engineers and researchers tried to defend the value of vernacular and traditional constructions based on thermal criteria and climatic considerations. We argue that it is the development of what is called the “bioclimatic approach” in architecture – which integrates energy inputs from the climate to explain technical and architectural choices – which has made it possible to renew the understanding of vernacular and traditional constructions. This approach, while developing a finer understanding of the thermal behavior of old buildings, has engaged many architects to reuse certain elements and technical choices of architecture from the past, in order to meet the imperatives stemming from the energy crisis.

The work presented adresses the numerical simulation of coupled-heat transfer problems in the presence of four standard non-linear sources: temperature at power 4 in radiation and conductivity, heat capacity and convective exchange coefficient, all of the three functions of temperature. Our specificity is the use of a Monte Carlo method that preserves a set of strong points in the algorithms used for linearization, most notably for the ability to compute probes in complex geometry. We begin with a synthesis of the statistical reformulation of the justifying models, within the linear framework, with a randomized reading of the conducto-convecto-radiative coupling which will be the starting point of our proposal. We then group our 4 non-linear questions in the same formal framework, built on transportation physics, in order to exploit the results of a recent revisiting of zero-collision algorithms. The resulting branch algorithms face computational difficulties: the number of branches increases very strongly at low Knudsen numbers. We then propose a workaround strategy that ensures a limitation of the number of branches via a hierarchical rewriting inspired by Picard’s method., Les travaux présentés concernent la simulation numérique de problèmes couplés en transfert thermique en présence de quatre sources de non-linéarité tout-à-fait standard~: la température à la puissance quatre en rayonnement et la conductivité, la capacité calorifique et le coefficient d'échange convectif tous trois fonctions de la température. Notre spécificité est l'utilisation d'une méthode de Monte Carlo qui préserve un ensemble de points forts des algorithmes utilisés pour le linéaire, notamment la capacité au calcul sonde en géométrie complexe. Nous commençons par une synthèse des travaux de reformulation statistique des modèles justifiant, dans le cadre linéaire, une lecture en marche aléatoire du couplage conducto-convecto-radiatif qui sera le point de départ de notre proposition. Nous regroupons ensuite nos quatre questions non-linéaires dans un même cadre formel, construit sur la physique du transport, de façon à exploiter les résultats d'une revisite récente des algorithmes à collisions nulles. Les algorithmes branchants qui en résultent se heurtent à des difficultés calculatoires : le nombre de branches augmente très fortement aux faibles nombres de Knudsen. Nous proposons alors une stratégie de contournement qui assure une limitation du nombre de branches via une ré-écriture hiérarchique inspirée de la méthode de Picard.

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.

This paper describes an experimental study of filtration of a colloidal suspension using microfluidic devices. A suspension of micrometer-scale colloids flows through parallel slit-shaped pores at fixed pressure drop. Clogs and cakes are systematically observed at pore entrance, for variable applied pressure drop and ionic strength. Based on image analysis of the layer of colloids close to the device wall, global and local studies are performed to analyse in detail the near-wall layer microstructure. Whereas global porosity of this layer does not seem to be affected by ionic strength and applied pressure drop, a local study shows some heterogeneity: clogs are more porous at the vicinity of the pore than far away. An analysis of medium-range order using radial distribution function shows a slightly more organized state at high ionic strength. This is confirmed by a local analysis using two-dimension continuous wavelet decomposition: the typical size of crystals of colloids is larger for low ionic strength, and it increases with distance from the pores. We bring these results together in a phase diagram involving colloid-colloid repulsive interactions and fluid velocity., 13 pages, 16 figures

Decay heat is the thermal power released by a nuclear reactor after shutdown; it is produced by radioactive decay of unstable isotopes composing the fuel and delayed fission reactions. The contribution of delayed fission reactions becomes negligible within some minutes of cooling time, whereas the contribution of radioactive decay is about 7% of the nominal power one second after the reactor (PWR) shutdown, and still 1.5% on hour later, i.e. 40 MWth for a PWR producing 900 MWe. The decay heat released by spent nuclear fuel must be managed during reactor functioning (shutdown phase) and in all the phases composing the backend of the fuel cycle (core unloading, storage in pool, transport, reprocessing, etc.). The design of safety systems is based on the use of calculation codes, which must be qualified through the comparison with measurements being representative of industrial applications. This PhD thesis is in the framework of the Verification, Validation and Uncertainty Quantification (VVUQ) process of the CEA’s package DARWIN for fuel cycle applications, which computes, among other things, the decay heat of Light Water Reactors (LWR). The objective of this thesis is to study the feasibility and the basic design of a measurement of the decay heat released by an irradiated nuclear fuel sample in the very short cooling times, i.e. starting from 1 minute of cooling time. To perform the measurement, we need a research reactor (Material Testing Reactor, MTR) to irradiate the fuel sample. The reactor selected is the future CEA’s MTR, i.e. the Jules Horowitz Reactor (JHR). To start the measurement at 1 minute of cooling time, we are bound to design it in the reactor vicinity, an environment perturbed by nature. Thus, the challenge for demonstrating the feasibility of the measurement is to develop a methodology to discriminate the source to be measured, i.e. the fuel sample decay heat, from perturbations coming from the reactor core. The PhD work consisted in designing a calorimeter which could be inserted into a JHR experimental device, defining the phases of the experiment (irradiation, the irradiation stop, the cooling before the measurement, the temperature measurement in the fuel sample and in the structures of the calorimeter, particularly in the tungsten which is devoted to gamma absorption) and implementing an inverse technique for the estimation of the decay heat starting from temperature measurements. Neutronic simulations of the experiment in the JHR reflector with the stochastic code TRIPOLI4 and the evolution code MENDEL, have been performed to show the constraints for the irradiation phase and estimate power sources in the experimental device. A thermal modeling of the experimental device has been performed to verify the respect of temperature limits during irradiation, the sufficient amount of cooling prior to the measurement phase, and to perform inversion, i.e. the determination of decay heat starting from temperature measurements. The decay heat of the fuel sample and the perturbation induced by the decay heat of the reactor core, have been modelled by using two sum of exponential functions so as to reduce the number of unknown parameters that have to be estimated with the inverse technique. Our findings show that the applications of the inverse technique is efficient to estimate the total amount of decay heat released in the experimental device, being the sum of the fuel sample and reactor core contributions. The estimation of the perturbation can be performed separately with the same device and the same methodology in another experiment; thus, it is possible to estimate the decay heat of the fuel sample starting from 1 minute of cooling time to several tens of minutes, even days. The demonstration of the feasibility of this decay heat measurement, called the PRESTO experiment (PoweR Estimation for Short Time Optimization), paves the way for an effective measurement in the JHR reactor., La puissance résiduelle est la puissance thermique dégagée par un réacteur nucléaire après l’arrêt ; elle provient de la décroissance des isotopes instables composant le combustible nucléaire irradié ainsi que des fissions résiduelles. La contribution des fissions résiduelles devient négligeable après quelques minutes de temps de refroidissement, alors que la contribution de la décroissance radioactive est 7 % de la puissance nominale une seconde après l’arrêt du réacteur de type REP, et encore 1,5 % une heure après, i.e. 40 MWth pour un REP900 MWe. La puissance résiduelle, dégagée par le combustible nucléaire irradié, doit être gérée lors du fonctionnement du réacteur (phases d’arrêt) et dans toutes les phases de l’aval du cycle du combustible (déchargement du combustible, stockage en piscine, transport, retraitement, etc.), soit dans les scénarios de fonctionnement nominal, soit dans les scénarios incidentels ou accidentels. La conception des systèmes de sûreté s’appuie sur l’utilisation d’Outils de Calcul Scientifique (OCS) qui doivent être qualifiés par la comparaison avec des mesures qui soient représentatives des applications industrielles. Cette thèse s’inscrit dans le processus de Vérification, Validation et Quantification des Incertitudes (VVQI) de l’OCS du cycle du CEA, le formulaire DARWIN qui calcule, entre autres, la puissance résiduelle des réacteurs à eau légère. L’objectif de la thèse est d’étudier la faisabilité et de réaliser une pré-conception d’une expérience de mesure de la puissance résiduelle d’un combustible nucléaire irradié aux temps très courts, i.e. à partir d’une minute de temps de refroidissement, dans une plage temporelle où il n’existe pas à ce jour de mesure expérimentale. Pour la réalisation de cette expérience de mesure, il est nécessaire d’utiliser un réacteur de recherche pour l’irradiation de l’échantillon de combustible. Le réacteur retenu est le futur Réacteur Jules Horowitz (RJH) du CEA. Le fait de vouloir commencer l’expérience de mesure à partir d’une minute après l’arrêt de l’irradiation oblige à concevoir l’expérience à proximité du réacteur, environnement par nature perturbé. Ainsi, le défi pour démontrer la faisabilité de l’expérience est de mettre au point une méthodologie capable de discriminer la source à mesurer, i.e. la puissance résiduelle de l’échantillon de combustible, des perturbations provenant du cœur du réacteur. Le travail réalisé au cours de cette thèse a consisté dans la conception d’un dispositif de mesure qui puisse s’insérer dans un dispositif expérimental du RJH, la définition des différentes phase de l’expérience (irradiation, arrêt de l’irradiation, refroidissement avant mesure, mesure de température dans l’échantillon combustible et dans le dispositif) et l’utilisation d’une méthode inverse pour l’estimation de la puissance résiduelle de l’échantillon de combustible à partir de mesures de température qui sont réalisées dans l’échantillon de combustible et le dispositif de mesure, en particulier dans le tungstène destiné à absorber le rayonnement gamma. Des calculs de neutronique avec les OCS du CEA TRIPOLI et MENDEL ont permis de montrer les contraintes lors de la phase d’irradiation de l’échantillon combustible pour obtenir un flux neutronique suffisant sur l’échantillon, et de caractériser les sources de puissance dans le dispositif de mesure. Une modélisation thermique du dispositif a été mise au point à l’aide du logiciel Scilab pour vérifier les limites en température lors de l’irradiation, le bon refroidissement du dispositif en préalable à la mesure et pour pouvoir appliquer la méthode inverse, i.e. la détermination de la puissance résiduelle à partir des différentes mesures de températures qui sont réalisées dans l’échantillon de combustible et l’écran en tungstène. La puissance résiduelle de l’échantillon et la perturbation induite par la puissance résiduelle du cœur du RJH ont été modélisées par des sommes d’exponentielles décroissantes de façon à réduire le nombre de paramètres à déterminer avec la méthode inverse. Nos résultats montrent que l’application de la méthode permet d’estimer efficacement la puissance résiduelle totale qui a été déposée dans le dispositif de mesure, comme la somme de la contribution de l’échantillon de combustible plus celle du cœur du RJH. La perturbation pouvant être mesurée au préalable dans ce même dispositif (sans le combustible), il est possible de remonter à la puissance résiduelle de l’échantillon combustible sur une plage temporelle d’une minute à plusieurs dizaines de minutes, voire plusieurs jours. La démonstration de la faisabilité de cette expérience de mesure de puissance résiduelle d’un combustible nucléaire irradié, dénommée PRESTO (PoweR Estimation for Short Time Optimization) ouvre donc la possibilité d’une mesure effective sur le réacteur RJH.

Reducing the environmental footprint of the building sector is a key element of today's political and environmental issues. The poor quality of the building stock insulation is pointed out. It is therefore crucial to improve the performance of the existing insulation products. Glass wool, one of the main insulation product, is made of a glass fiber matrix surrounded by gas or vacuum. However, there is a need for microscopic measurements of heat transfer at the fiber scale. The collaborative project CarISOVERRE, funded by the Agence Nationale pour la Recherche, intends to investigate these transfer. This thesis, as part of the CarISOVERRE project, aims at providing experimental measurement of the conductive, convective and radiative heat transfer in a single fiber at microscopic scale along with the measurement of thermal resistance of contact between fibers. To this end, we developed several characterizing tools to study microscale heat transfer. First, the emission properties of single glass fibers with sub­wavelength diameter (given the thermal wavelength of 10 µm) is measured using the infrared spectroscopy method based on the spatial modulation of the sample in the field object plan of the microscope. Then, the thermal resistance of contact between two glass elements is studied under vacuum and under ambient conditions. A glass microsphere is placed into contact with a glass slide using a SThM probe which allows to heat the top of the sphere by Joule effect and to record the temperature at this point. With this information it is possible to identify the different heat channels through the SThM probe and/or through the air to extract the thermal resistance of contact. Finally, a non­contact method for the measurement of thermal emission of a single fiber heated by short laser pulses is presented. This microthermography method is the Flash method coupled with an infrared microscope to meet the specifics of our sample. The identification of the heat transfer parameters ­ exchange with the surrounding air, thermal resistance of contact between fibers – is obtained by studying the spatial and temporal dynamic of the signal along with simple analytical models. The results presented in this thesis are expected to be used as input parameters in future numerical simulations of the heat transfer in a glass wool sample.; La réduction de la consommation d'énergie liée au secteur du bâtiment est au cœur des enjeux politiques et environnementaux actuels. L'isolation du parc immobilier est remise en cause. C'est la raison pour laquelle il est important d'améliorer les performances des matériaux isolants existant comme la laine de verre. La laine de verre, qui est un des matériaux d'isolation thermique les plus courants, est composé d'une matrice solide faite de fibres de verre entourées par du gaz ou de vide. Il manque cependant une caractérisation microscopique du transfert de chaleur à l'échelle de ces fibres. C'estdans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui s'est déroulée dans le cadre du projet collaboratif CarISOVERRE financé par l'Agence National pour la Recherche. Le but de cette thèse expérimentale est d'effectuer une caractérisation microscopique des transferts de chaleur ­ transfert conductif, convectif, radiatif ­ intervenant au sein d'une fibre de verre, et de mesurer la résistance thermique de contact entre fibres de verre. Pour cela, nous avons développé différents outils de caractérisation du transfert de chaleur à l'échelle micrométrique. Dans un premier temps, les propriétés d'émission thermique de fibres de verre dont le diamètre est plus faible que la longueur d'onde d'émission thermique (

Reducing the environmental footprint of the building sector is a key element of today's political and environmental issues. The poor quality of the building stock insulation is pointed out. It is therefore crucial to improve the performance of the existing insulation products. Glass wool, one of the main insulation product, is made of a glass fiber matrix surrounded by gas or vacuum. However, there is a need for microscopic measurements of heat transfer at the fiber scale. The collaborative project CarISOVERRE, funded by the Agence Nationale pour la Recherche, intends to investigate these transfer. This thesis, as part of the CarISOVERRE project, aims at providing experimental measurement of the conductive, convective and radiative heat transfer in a single fiber at microscopic scale along with the measurement of thermal resistance of contact between fibers. To this end, we developed several characterizing tools to study microscale heat transfer. First, the emission properties of single glass fibers with sub­wavelength diameter (given the thermal wavelength of 10 µm) is measured using the infrared spectroscopy method based on the spatial modulation of the sample in the field object plan of the microscope. Then, the thermal resistance of contact between two glass elements is studied under vacuum and under ambient conditions. A glass microsphere is placed into contact with a glass slide using a SThM probe which allows to heat the top of the sphere by Joule effect and to record the temperature at this point. With this information it is possible to identify the different heat channels through the SThM probe and/or through the air to extract the thermal resistance of contact. Finally, a non­contact method for the measurement of thermal emission of a single fiber heated by short laser pulses is presented. This microthermography method is the Flash method coupled with an infrared microscope to meet the specifics of our sample. The identification of the heat transfer parameters ­ exchange with the surrounding air, thermal resistance of contact between fibers – is obtained by studying the spatial and temporal dynamic of the signal along with simple analytical models. The results presented in this thesis are expected to be used as input parameters in future numerical simulations of the heat transfer in a glass wool sample.; La réduction de la consommation d'énergie liée au secteur du bâtiment est au cœur des enjeux politiques et environnementaux actuels. L'isolation du parc immobilier est remise en cause. C'est la raison pour laquelle il est important d'améliorer les performances des matériaux isolants existant comme la laine de verre. La laine de verre, qui est un des matériaux d'isolation thermique les plus courants, est composé d'une matrice solide faite de fibres de verre entourées par du gaz ou de vide. Il manque cependant une caractérisation microscopique du transfert de chaleur à l'échelle de ces fibres. C'estdans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui s'est déroulée dans le cadre du projet collaboratif CarISOVERRE financé par l'Agence National pour la Recherche. Le but de cette thèse expérimentale est d'effectuer une caractérisation microscopique des transferts de chaleur ­ transfert conductif, convectif, radiatif ­ intervenant au sein d'une fibre de verre, et de mesurer la résistance thermique de contact entre fibres de verre. Pour cela, nous avons développé différents outils de caractérisation du transfert de chaleur à l'échelle micrométrique. Dans un premier temps, les propriétés d'émission thermique de fibres de verre dont le diamètre est plus faible que la longueur d'onde d'émission thermique (

In industrial processes in which yield stress fluids are involved, the sudden transition between solid and fluid states depending on the applied load is a major issue in manyapplications. Additionally, yield stress fluids exhibit other characteristics including their slippage and the existence of elastic deformation below the yield stress.This thesis aims to understand the structure of elasto-viscoplastic fluid flows and, in particular, the parameters affecting flow morphology and applied forces.This research analyses two situations: (1) fluid flows around a plate perpendicular to the flow and (2) Rayleigh Bénard’s instabilities based on numerical modelling with FEMLIP.Firstly, the objective is to identify the effects of plasticity and elasticity using the law of elasto-viscoplastic behaviour, which is an association of Herschel-Bulkley's andMaxwell's models. Moreover, the effects of plasticity and elasticity are compared with available experimental results obtained with a fluid model (Carbopol gel).In this comparison, more complex effects (Shear-thinning, wall slip, the initial state of stress) have been taken into account. The results show a decrease in drag coefficient of the plate when the Oldroyd number (ratio between plastic and viscous effects) becomes predominant. Drag force is also reduced when the Oldroyd number (ratio between plastic and viscous effects) is predominant. The drag coefficient tends towards an asymptotic value which indicates that beyond a certain Oldroyd number, this drag coefficient is not governed by velocity but depends only on yield stress. Drag force increases with elasticity. Besides, the elastic effects are responsible for the dissymmetry that is observed between upstream and downstream the obstacle. The analysis of stress fields allows us to conclude that total drag force is dominated by pressure. Both experimentally and numerically, the influence of an initial state of stress of the material is observed significantly in the area of plastic effect predominant compared to viscous effects. The results obtained with FEMLIP are in the same orders of magnitude that the ones provided by the experiments. In Rayleigh Bénard's case of convection, for a purely viscoplastic fluid thus no elastic effect, the Nusselt number and the velocity norm decrease with an increasing plastic effect therefore the Bingham number (Bn). Beyond a critical value of the Bingham number Bnc (Bnc=1.7), the heat transfer is purely conductive one (Nu = 1). Therefore, elasticity plays a destabilizing role and leads to an enhancement of the convection strength as well as heat transfer via the mean Nusselt number (Nu = 1).Consequently, the size of the yielded regions increases with elasticity. In addition, an increase in the field of the second invariant of the stress tensor in the center of the cavity is shown with increasing Wi. Furthermore, we notice that the first difference of the normal components is the main responsible for the shape of the unyielded regions. The highest values of normal stresses are obtained in the area of recirculation of the fluid (vortex), indicating significant elastic effects. Kinematic, temperature and stress field, shape and size of yielded and unyielded zones investigations allowed to better understand the local phenomena for the same ratio of yield stress effects to buoyancy effects, leading for the slippage case to a distinct convective transfer and for the adherent case to a conductive transfer. The convective onset criteria are in the same orders of magnitude both in sliding and adherent conditions in comparison with experiments., Dans les procédés industriels mettant en jeu des fluides à seuil, la transition entre des états solide - fluide en fonction du chargement appliqué représente une problématique importante dans de nombreuses applications. Ces fluides à seuil présentent aussi d’autres caractéristiques telles que leurs capacités à glisser aux interfaces et l’existence d’une déformation élastique sous le seuil de contrainte. Cette thèse se propose de comprendre la structure des écoulements de fluides élasto-viscoplastiques et, en particulier, les paramètres influant sur la morphologie de l’écoulement et sur les efforts appliqués. Elle analyse deux situations : (1) les écoulements autour d’une plaque plane perpendiculaire à l’écoulement et, (2) les instabilités thermiques de Rayleigh-Bénard en s’appuyant sur une modélisation numérique mise en oeuvre avec la Méthode des Eléments Finis avec Points d’Intégration Lagrangiens (MEFPIL). D'une part, l’objectif est d’identifier les effets respectifs de la plasticité et de l’élasticité en utilisant la loi de comportement élasto-viscoplastique qui est une association du modèle de Herschel-Bulkley et du modèle de Maxwell. D’autre part, les effets de plasticité et d’élasticité issus de la modélisation numérique sont comparés avec des résultats expérimentaux disponibles obtenus avec un fluide modèle (gel aqueux de Carbopol). Dans cette comparaison, d’autres effets (rhéofluidification, glissement aux parois, état initial des contraintes) ont été également pris en compte.Les résultats mettent en évidence une diminution du coefficient de traînée de la plaque lorsque le nombre d’Oldroyd (ratio entre les effets plastiques et les effets visqueux)devient prépondérant. Le coefficient de traînée tend vers une valeur asymptotique. La force de traîné augmente avec l’élasticité. De plus, les effets élastiques sont responsables de la dissymétrie observée entre l’amont et aval de l’obstacle. L’analyse du champ de la composante de cisaillement permet de conclure que la traînée totale est gouvernée par la pression. Expérimentalement et numériquement, on observe une influence significative de l’état initial des contraintes du matériau dans le domaine des effets de seuil prépondérants devant les effets visqueux. Les résultats obtenus avec la MPEFPIL sont dans les mêmes ordres de grandeur que ceux fournis par les expériences.Pour un fluide purement viscoplastique donc sans élasticité dans la convection de Rayleigh-Bénard, le nombre de Nusselt et la norme de la vitesse diminuent lorsque les effets plastiques donc le nombre de Bingham (Bn) augmentent. Au-dessus d'une valeur critique du nombre de Bingham Bnc, (Nu=1,7), le transfert de chaleur est purement conductif Nu = 1. Quant aux effets élastiques, les résultats montrent qu’ils favorisent la convection. Par conséquent, la taille des zones seuillées augmente avec l’élasticité. De plus, on observe un accroissement du champ du deuxième invariant du tenseur des contraintes au centre de la cavité avec l'augmentation de Wi. On remarque aussi que la première différence des composantes normales est principalement responsable de la forme des zones non seuillées.Les valeurs maximales des contraintes normales sont obtenues là où le fluide recircule (vortex), indiquant des effets élastiques significatifs. En outre, l’analyse des champs cinématique, de température et de contrainte ainsi que la forme et la taille des zones seuillées et non seuillées a permis de comprendre les phénomènes locaux pour un même rapport des effets de seuil de contrainte aux effets de flottabilité qui induisent, dans le cas glissant, un transfert nettement convectif et, dans le cas adhérent, un transfert conductif. Les critères d’apparitions de la convection sont dans les mêmes ordres de grandeur, aussi bien dans des conditions glissantes et d’adhérence, comparés aux expériences.

Models used for studies of atmospheric reentry vehicles are mainly developed with data from wind tunnel test campaigns. Despite such data are highly instructive, they do not reflect all the conditions encountered during reentry. Measurements carried out during atmospheric flights can be used to deal with this lack of data. Within this context, the present work consisted in an aerothermodynamic analysis of the atmospheric reentry of a reusable lifting body from a low Earth orbit. This study used thermocouple and infrared thermographic temperature measurements carried out during the atmospheric reentry of the IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) spaceplane. This vehicle was an automatic lifting body designed and launched by the European Space Agency. The aerothermodynamic analysis involved two approaches. The first one is based on inverse heat conduction problems: the purpose was to estimate the unknown convecto-diffusive heat flux at the windward surface of IXV using temperature measurements on the leeward surface of a flap or inside the thermal protection systems. However, estimates from inverse analyses do not bring information about physical phenomena in the shock layer which could generate convecto-diffusive heat flux at the surface. This point justifies the work from the second approach, based on 1D and 3D Navier-Stokes simulations of the hypersonic flow around IXV. The purposes of these simulations were to analyse and identify the physical phenomena which allowed the convecto-diffusive heat flux from inverse problems to be reproduced. This association between inverse methods and Navier-Stokes simulations was previously tested on data from the orbiter Columbia during the STS-2 atmospheric reentry. The long-term objective is to improve aerothermodynamic databases and tools for the preparation of Europe’s future automated reentry systems.; Les modèles développés pour l'étude des rentrées atmosphériques sont essentiellement basés sur des mesures en soufflerie. Bien que ces dernières soient riches en enseignements, elles ne sont pas représentatives de l'ensemble des conditions rencontrées lors d'une rentrée atmosphérique. Pour combler ce manque de données il est nécessaire de traiter des mesures réalisées en vol. Les présents travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte et proposent une analyse aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique d'un véhicule réutilisable, de type corps portant, depuis une orbite basse terrestre. Plus précisément cette analyse traite du flux de chaleur convecto-diffusif à l'intrados du véhicule. Pour remplir cet objectif l'étude s'appuie principalement sur les mesures de température effectuées au cours de la rentrée atmosphérique de l’IXV (Intermediate eXperimental Vehicle), le premier véhicule autonome de l'Agence Spatiale Européenne piloté sur une trajectoire planante. Les mesures de température ont été réalisées dans les protections thermiques de l’intrados et à la surface extrados des gouvernes à l’aide de thermocouples et d'une caméra infrarouge. L'analyse aérothermodynamique s'articule autour de deux approches complémentaires. La première est une estimation par méthodes inverses 1D et 3D du flux de chaleur convecto-diffusif à la surface intrados de l'IXV à partir des mesures de température. Cependant ces estimations ne permettent pas à elles seules de remonter jusqu'à l'historique des phénomènes physico-chimiques dans la couche de choc. Ce point justifie la présence de la deuxième approche basée sur des simulations Navier-Stokes 1D et 3D de l'écoulement. Ces simulations ont été menées afin d'identifier et d'analyser de possibles scénarios des phénomènes physico-chimiques permettant de reproduire les niveaux du flux de chaleur estimés par méthode inverse. Cette méthode, basée sur les résultats d'une approche par méthode inverse et d'une approche par simulations de l'écoulement, a préalablement été testée sur les données des premiers vols de la navette spatiale américaine Columbia. Finalement, ces travaux de thèse présentent une lecture approfondie des mesures réalisées au cours du vol de l'IXV. Sur le long terme ces données permettront de compléter les bases de données aérothermodynamiques et d'améliorer les outils de dimensionnement des véhicules de rentrée atmosphérique.

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.

This Phd work aims to study the elastic and thermal properties of microstructured thin films deposited by the GLAD technique (GLancing Angle Deposition). This technique leads to original structures and architectures promoting porosity and anisotropic behaviors. Emphasis is put on the correlations between the structural shape of columnar thin films and their anisotropic properties. The measurements of the acoustic waves propagation are performed with a femtosecond heterodyne pump probe setup. The influence of the different parameters and deposition methods both on the evolution of thin films structures and on the propagation of surface acoustic waves were studied. The experimental parameters play a key-role on the shape of the columns and their angle of inclination.The ellipticity of the column cross-sections is a key factor on the anisotropy of the surface acoustic waves. Numerical simulations confirm that the shape of this section and the porosity play a primary role in the dispersion and the anisotropic propagation of elastic waves.Thermal characterizations were also carried out on GLAD microstructured films by the 3 omega method and by the thermoreflectance technique with the femtosecond pump probe setup. Considerably reduced thermal conductivities were measured at room temperature for GLAD W films. A thermal anisotropy, more important for thicker films, was found. This anisotropic characterization in terms of thermal conductivity was linked to the anisotropic microstructuring of the films, created during GLAD deposition.; Ces travaux de thèse visent à étudier les propriétés élastiques et thermiques des films minces microstructurés par la technique GLAD (GLancing Angle Deposition). Cette technique propose des structurations et des architectures originales favorisant la porosité et les comportements anisotropes. L'accent est mis sur les corrélations entre la forme structurale des films minces en colonnes et leurs propriétés anisotropes. Les mesures de la propagation des ondes acoustiques de surface sont effectuées avec une plateforme pompe sonde hétérodyne femtoseconde. L'influence des différents paramètres et procédés de dépôt à la fois sur l'évolution de la structure des films minces et sur la propagation des ondes élastiques, ont été étudiés. Les paramètres expérimentaux jouent un rôle fondamental sur la forme des colonnes et leur angle de croissance. Un facteur clé jouant sur l’anisotropie des ondes élastiques de surface est la section plus ou moins elliptique des colonnes. Les simulations numériques confirme que la forme de cette section et la porosité jouent un rôle primordial sur la dispersion et la propagation anisotrope des ondes élastiques.Des caractérisations thermiques ont également été effectuées sur les films microstructurés GLAD par la méthode 3 omega et par la technique de thermoréflectance avec le banc de mesure pompe sonde femtoseconde. Des conductivités thermiques considérablement réduites ont été mesurées à température ambiante pour les films GLAD en W. Une anisotropie thermique, plus importantepour les films les plus épais, a été trouvée. Cette caractérisation anisotrope en termes de conductivité thermique a été reliée à la microstructuration anisotrope des films, crée lors de dépôt GLAD.

This Phd work aims to study the elastic and thermal properties of microstructured thin films deposited by the GLAD technique (GLancing Angle Deposition). This technique leads to original structures and architectures promoting porosity and anisotropic behaviors. Emphasis is put on the correlations between the structural shape of columnar thin films and their anisotropic properties. The measurements of the acoustic waves propagation are performed with a femtosecond heterodyne pump probe setup. The influence of the different parameters and deposition methods both on the evolution of thin films structures and on the propagation of surface acoustic waves were studied. The experimental parameters play a key-role on the shape of the columns and their angle of inclination.The ellipticity of the column cross-sections is a key factor on the anisotropy of the surface acoustic waves. Numerical simulations confirm that the shape of this section and the porosity play a primary role in the dispersion and the anisotropic propagation of elastic waves.Thermal characterizations were also carried out on GLAD microstructured films by the 3 omega method and by the thermoreflectance technique with the femtosecond pump probe setup. Considerably reduced thermal conductivities were measured at room temperature for GLAD W films. A thermal anisotropy, more important for thicker films, was found. This anisotropic characterization in terms of thermal conductivity was linked to the anisotropic microstructuring of the films, created during GLAD deposition.; Ces travaux de thèse visent à étudier les propriétés élastiques et thermiques des films minces microstructurés par la technique GLAD (GLancing Angle Deposition). Cette technique propose des structurations et des architectures originales favorisant la porosité et les comportements anisotropes. L'accent est mis sur les corrélations entre la forme structurale des films minces en colonnes et leurs propriétés anisotropes. Les mesures de la propagation des ondes acoustiques de surface sont effectuées avec une plateforme pompe sonde hétérodyne femtoseconde. L'influence des différents paramètres et procédés de dépôt à la fois sur l'évolution de la structure des films minces et sur la propagation des ondes élastiques, ont été étudiés. Les paramètres expérimentaux jouent un rôle fondamental sur la forme des colonnes et leur angle de croissance. Un facteur clé jouant sur l’anisotropie des ondes élastiques de surface est la section plus ou moins elliptique des colonnes. Les simulations numériques confirme que la forme de cette section et la porosité jouent un rôle primordial sur la dispersion et la propagation anisotrope des ondes élastiques.Des caractérisations thermiques ont également été effectuées sur les films microstructurés GLAD par la méthode 3 omega et par la technique de thermoréflectance avec le banc de mesure pompe sonde femtoseconde. Des conductivités thermiques considérablement réduites ont été mesurées à température ambiante pour les films GLAD en W. Une anisotropie thermique, plus importantepour les films les plus épais, a été trouvée. Cette caractérisation anisotrope en termes de conductivité thermique a été reliée à la microstructuration anisotrope des films, crée lors de dépôt GLAD.

The research of new breakthrough technologies in integrated optics presents many challenges to reach high-performance, compact and energy- and cost-efficient photonic systems. To this issue, direct laser writing in transparent amorphous materials is a high-potential approach. Indeed, by multi-scale modifications (from nanoscopic to macroscopic) in three dimensions, a large panel of functionalities can be incremented by this all-optical technique. An innovative approach is based on femtosecond laser irradiation of specialty glasses, whose photosensitivity has been improved upstream, at the design stage. In this way, direct laser writing in silver photosensitized glasses allows for the deployment of various functionalities supported by the laser-induced silver photochemistry, without affecting the glass matrix. In particular for phosphate glasses, such a photostructuration offers the ability to generate new molecular species, corresponding to the silver clusters. Indeed, the controlled formation of these aggregated species at the (sub-)micronic scale and in three dimensions, provides the controlled creation of several optic properties with a very high optical contrast: fluorescence, refractive index variation, second and third harmonic generation, and development of plasmonic metal nanoparticles.The work presented in this thesis deals with theoretical and technological aspects in glass science, focusing on the photochemistry of silver. First, in a phosphate glass system P2O5 – Ga2O3 – Na2O doped with silver (GPN:Ag), a detailed study of the structure-property relationship has been carried out. Thanks to this study, a correlation between the glass structure, the silver environment and the glass photosensitivity has been clearly evidenced. Second, two compositions from the GPN:Ag glass system, respectively of low and high photosensitivity, have been subjected to the implementation of two functionalities with glass fiber drawing and laser inscription of X-ray resilient structures. The contribution of these two functionalities highlights the strong potential and added value of this GPN:Ag glass family for the elaboration of integrated and/or fiber X-ray sensors. In the meantime, a study has been conducted on two phosphate glasses with or without co-mobile ions, such as sodium or fluorine, allowing for a better understanding of the laser rewriting property, in correlation with the management of the silver ion reservoir. By all-optical approach, sub-diffraction spatial periodicities from 200 to 300 nm have been obtained in an optimized GPN:Ag composition. The tailoring of both the special glass synthesis and laser structuring has led to the first demonstration of Bragg gratings integrated into waveguides. Third, a new heavy oxide glass system Ga2O3 – Ge2O – K2O (GGK), compatible with the silver photochemistry, has been considered. This glass system is highly interesting since it has an extended transmission window up to the mid-infrared. Thanks to spark plasma sintering of GGK glass powder, transparent amorphous and KGaGeO4 non-centrosymmetric glass-ceramic pellets have been synthetized. By improving the cationic ratios of these GGK glasses with barium, a glass hosting the silver photochemistry has been elaborated and laser photostructured. This new glass opens up the wide potential of laser-induced silver photochemistry for photonic applications in the wavelength range of interest between 3 µm and 5 µm., La recherche de nouvelles de technologies de rupture pour le développement de systèmes photoniques performants, compacts et à moindre consommation énergétique représente un défi majeur dans le domaine des matériaux. A cette problématique, l’inscription laser directe dans les matériaux vitreux transparents est une approche à fort potentiel. En effet, par modification multi-échelle (du nanoscopique au macroscopique) en trois dimensions, une multitude de fonctionnalités peut être incrémentée par cette technique tout-optique. Une approche novatrice repose sur l’irradiation laser femtoseconde de verres non conventionnels, dont la photosensibilité a été améliorée en amont, dès la conception du verre. Ainsi, dans un verre comportant des ions argent, l’inscription laser directe permet le déploiement de nombreuses fonctionnalités reposant sur la photochimie induite de l’argent, sans pour autant affecter la qualité optique de la matrice vitreuse. Une telle photostructuration permet notamment dans les verres phosphates de générer de nouvelles espèces moléculaires correspondant à des agrégats d’argent. Sur des échelles sub-microniques et en trois dimensions, la formation contrôlée de ces espèces permet la création maîtrisée de plusieurs propriétés optiques à très fort contraste optique : fluorescence, variation d’indice de réfraction, génération de seconde et troisième harmonique, voire développement de nanoparticules métalliques plasmoniques.Les travaux exposés dans cette thèse traitent d’aspects théoriques et technologiques en science des verres, s’articulant autour de la photochimie de l’argent. Premièrement, dans un système vitreux phosphate P2O5 – Ga2O3 – Na2O dopé à l’argent (GPN:Ag), une étude détaillée portant sur les relations structure-propriété a été réalisée. Grâce à cette étude, une corrélation entre la structure vitreuse, l’environnement de l’argent et la photosensibilité des verres a pu être mise en évidence. Deuxièmement, deux compositions du système vitreux GPN:Ag, respectivement de faible et forte photosensibilité, ont été soumises à l’implémentation de deux fonctionnalités : l’inscription laser de structures résilientes aux rayons X et le fibrage de ces verres. L’apport de ces fonctionnalités atteste des fortes potentialités et valeurs ajoutées de cette famille de verre GPN:Ag pour l’élaboration de capteurs intégrés et/ou fibrés de rayons X. Parallèlement, l’étude réalisée entre deux verres phosphates à l’argent avec ou sans ions co-mobiles (sodium, fluor) a permis de mieux appréhender la propriété de réinscription laser, corrélée à la gestion du réservoir d’ions argent. Par approche tout-optique, des périodicités spatiales de 200 à 300 nm ont ainsi pu être obtenues dans une composition GPN:Ag spécialement élaborée. La maîtrise conjointe de la synthèse de verres spéciaux et de la structuration laser, a conduit à la première démonstration de réseaux de Bragg intégrés à des guides d’onde, uniquement sous-tendus par la photochimie de l’argent sous irradiation laser. Troisièmement, un nouveau système vitreux d’oxydes lourds Ga2O3 – Ge2O – K2O (GGK), compatible avec la photochimie de l’argent, a été considéré. Ce système vitreux est très intéressant car il possède une fenêtre de transmission étendue jusque dans l’infrarouge moyen. Par frittage flash de poudre de verre GGK, des pastilles transparentes amorphes et vitrocéramisées de phase non-centrosymétrique KGaGeO4 ont pu être obtenues. Conjointement, l’introduction d’argent dans le verre GGK étant délicate, une étude substituant des ions potassium par du baryum a mis en évidence la stabilisation de l’argent dans la matrice vitreuse. En perfectionnant les rapports cationiques de ces verres GGK avec du baryum, un verre accueillant la photochimie de l’argent a pu être élaboré et photostructuré par laser. Ce nouveau verre ouvre alors le large potentiel de structuration laser à l’argent pour la gamme de longueur d’onde d’intérêt entre 3 et 5 µm.

International audience; Hydrodynamics and conjugate mass transfer from a spherical droplet at low to moderate Reynolds num- ber have been investigated by direct numerical simulation. The study particularly focuses on the coupling between the internal and external flows, and their respective effects on the resulting mass transfer of a solute under 2D axi-symmetric configuration. The influence of the viscosity, density, and diffusivity ratios (μ∗, ρ∗and D∗ respectively) between the two phases, as well as that of the equilibrium constant k (or Henry’s number) characterizing thermodynamic equilibrium at the interface, has been studied in a range of flow Reynolds numbers relevant for solvent extraction processes (up to Reynolds number 100). The temporal evolution of the Sherwood number has been analyzed and a general correlation is proposed for its steady state regime. Interestingly, simulation results show that correlations available in the literature in the limiting cases k√D∗<>11 , referred to as internal and external mass transfer regimes, are not always appropriate in the context of conjugate mass transfer. This limits the use of the addition rule of transfer resistances, which reflects the flux continuity in the double stagnant film model. Indeed, a significant discrepancy is observed under specific configurations, especially at low Péclet number (Pe≤500) where non uniform interface concentration prevails.

This project aims to demonstrate the feasibility and value of using electrohydrodynamic (EHD) inside flat plate heat pipes (FPHP). FPHPs are passive devices able to transfer high heat fluxes with low temperature differences owing to phase change heat transfer and capillarity. A numerical model, devoted to the study the shape of a meniscus trapped in a square groove in the presence of an electric stress, is developed. Particular attention is paid to the detailed understanding of the linkages between EHD phenomena, wetting or electro-wetting and capillarity. Dimensionless results from the numerical study are provided in order to be used as abacus for the design of EHD FPHP. Two experimental benches, sharing the same capillary structure made of square grooves, are studied. The first experimental bench devoted to study the local effect of the electric field on the interface shape in the absence of heat flux, by means of a confocal microscope. The experimental results are obtained with a DC electric field and with an AC electric field by means of a vobulation methodology. The experimental results are compared to the numerical results for validation purposes. The second experimental bench is devoted to the study of the effect of an electric field on the thermal performances of a FPHP. The temperature profiles along the FPHP are recorded with thermocouples, while the effect of the electric field on the liquid distribution are recorded by means of a camera. The experimental results proves useful to define the prospects for further experimental an numerical studies to expand the knowledge about of the effect on the use of an electric field in a FPHP.; Le travail présenté dans ce mémoire ambitionne de démontrer la faisabilité et l’intérêt de l’utilisation de l'électrohydrodynamique (EHD) dans des caloducs plats. Les caloducs plats sont des systèmes passifs permettant de transférer une grande quantité de chaleur avec un faible gradient de température grâce au transfert avec changement de phase et aux phénomènes de capillarité. Un modèle théorique permettant d'évaluer l'effet d'un champ électrique sur la forme d'un ménisque dans une rainure carrée est développé. Une attention particulière est apportée à la compréhension fine des couplages entre les phénomènes EHD, de mouillage et de capillarité. Les résultats du modèle sont produits sous forme d'abaques en nombre sans dimension, afin d’utiliser ces derniers comme outils de dimensionnement de FPHP EHD. Deux sections d'essais, composées d'une même structure capillaire formée de rainures longitudinales, sont testées. Une section a pour but d'étudier l'effet du champ électrique sur la forme de l'interface, à l'aide d'un microscope confocal en condition isotherme. L'étude de l'effet du champ électrique est abordée en régime permanent, mais aussi en régime fréquentiel par la mise en place d'une méthode dite de vobulation. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats numérique afin de valider ces derniers. La deuxième section d'essais a pour but d'étudier l'effet du champ électrique sur les performances thermiques d'un caloduc plat. Des effets du champ électrique sur la distribution liquide sont observés à l'aide d'une caméra et les effets sur le profil de température sont mesurés à l'aide de thermocouples le long du caloduc. Les résultats obtenus permettent d’élargir les perspectives de recherche en vue d’améliorer l’état des connaissances sur l’utilisation d’un champ électrique dans un caloduc plat.

Planetary gears are widely used inside power transmissions, especially in the transport or heavy industry: they provide a substantial reduction ratio while keeping a minimal volume, which is a benefit for the industry in a ecological point of view. Yet, this diminution in volume comes with an augmentation of the thermal mass power inside the tranmission. When this transmission is splash lubricated, the thermal response of the system becomes a crucial problem because it cannot provide the sufficient cooling that the injection lubrication does. Moreover it adds up another source of power loss with the drag loss of the rotating parts, that heats the transmission as well. That type of lubrication is nonetheless easy to maintain unlike the injection. Thus, the thermal modeling of such transmission seems a necessity in order to estimate the conditions until this type of lubrication is viable, especially when heavily loaded. The litterature provides little to no model to predict to drag power losses in a planetary gear set, especially since it mainly dealt with oil injected ones. So, the first step is to developp a dedicated power loss prediction model for drag losses occuring in a planetary gear set. This has been done using a dedicated test rig. The second step uses this prediction model to developp a thermal model of an industrial reducer, using the thermal network method. This has been donc in order to optimize multiple aspects: the impact of the tribology on the thermal response of the reducer and the optimization of the oil volume inside the splash lubricated reducer. In regards to these results, the power loss prediction model for drag loss seems to be robust ; the thermal model simulates correctly the thermal response of the reducer and is a powerful tool to optimize the industrial reducer.; Les transmissions de puissance par trains épicycloïdaux sont courantes dans l'industrie du transport et de la manutention : elles procurent un fort rapport de réduction dans un volume toujours plus réduit, ce qui est un atout pour les industriels toujours plus attentifs à leur impact écologique. Cependant cette diminution de volume implique une augmentation de la puissance massique au sein de ces transmissions. Dans la cas où cette transmission est lubrifiée par bain d’huile ou barbotage, la problématique de la thermique devient alors un enjeu majeur car elle ne permet plus un refroidissement de la transmission, contrairement à la lubrification par injection. Elle apporte aussi une nouvelle source de perte par traînée, appelée perte par barbotage, qui ajoute à la production de chaleur produite par le frottement aux dentures et les roulements. Cette lubrification apporte cependant une facilité de maintenance utile pour des applications comme le transport. Ainsi, la modélisation thermique d'un tel train lubrifié par barbotage semble une nécessité pour estimer jusqu'à quel point ce type de lubrification est viable pour des transmissions par train épicycloïdal fortement chargé. Aucun modèle de prédiction des pertes de puissances, spécifiques à un train épicycloïdal en barbotage, n’est donné dans la littérature et la modélisation thermique a toujours porté sur de la lubrification par injection. Dans un premier temps, un modèle de prédiction des pertes par barbotage a été développé sur un banc d’essais en laboratoire pour, dans un second temps, modéliser thermiquement un réducteur de vitesse industriel en vue de l’optimiser sur plusieurs aspects : impact de la tribologie sur la thermique et optimisation du volume d’huile. Au regard des résultats présentés dans ce manuscrit, le modèle de pertes par barbotage prédit convenablement la perte pour plusieurs huiles testées ; le modèle thermique simule alors bien la thermique du réducteur et semble être un bon outil pour optimiser le réducteur industriel.

This paper presents an original life cycle assessment (LCA) of a concentrating solar power (CSP) plant with thermochemical energy storage (TCES). The studied CSP plant is a hypothetic solar tower plant with a Rankine power cycle, and the TCES material used is calcium hydroxide. Based on three proposed TCES integration concepts, detailed sizing and the associated emission inventory are performed for four main groups that constitute the CSP plant, including the solar field, the solar tower, the storage system and the power cycle. Various midpoint impact categories are evaluated using the IMPACT 2002+ method embedded in the SimaPro 7.3 software. A sensitivity analysis is performed to identify the most influencing elements of the CSP plant on the environmental impacts. LCA results show that the CSP plant with different TCES integration alternatives has comparable global warming potential (approximately 11 kg CO2.eq/MWh) and energy payback time (approximately 4 months). The additional environmental burden due to the addition of the TCES system is relatively small (about 30%). The use of calcium hydroxide for the TCES has noticeable midpoint impacts on the respiratory inorganics, the terrestrial ecotoxicity and the mineral extraction. Solar field group (heliostat mirrors) is generally the most sensitive and environmental impacting factor of the CSP installation. The Turbine integration concept has the smallest environmental impacts among the three concepts proposed.

This project aims to demonstrate the feasibility and value of using electrohydrodynamic (EHD) inside flat plate heat pipes (FPHP). FPHPs are passive devices able to transfer high heat fluxes with low temperature differences owing to phase change heat transfer and capillarity. A numerical model, devoted to the study the shape of a meniscus trapped in a square groove in the presence of an electric stress, is developed. Particular attention is paid to the detailed understanding of the linkages between EHD phenomena, wetting or electro-wetting and capillarity. Dimensionless results from the numerical study are provided in order to be used as abacus for the design of EHD FPHP. Two experimental benches, sharing the same capillary structure made of square grooves, are studied. The first experimental bench devoted to study the local effect of the electric field on the interface shape in the absence of heat flux, by means of a confocal microscope. The experimental results are obtained with a DC electric field and with an AC electric field by means of a vobulation methodology. The experimental results are compared to the numerical results for validation purposes. The second experimental bench is devoted to the study of the effect of an electric field on the thermal performances of a FPHP. The temperature profiles along the FPHP are recorded with thermocouples, while the effect of the electric field on the liquid distribution are recorded by means of a camera. The experimental results proves useful to define the prospects for further experimental an numerical studies to expand the knowledge about of the effect on the use of an electric field in a FPHP., Le travail présenté dans ce mémoire ambitionne de démontrer la faisabilité et l’intérêt de l’utilisation de l'électrohydrodynamique (EHD) dans des caloducs plats. Les caloducs plats sont des systèmes passifs permettant de transférer une grande quantité de chaleur avec un faible gradient de température grâce au transfert avec changement de phase et aux phénomènes de capillarité. Un modèle théorique permettant d'évaluer l'effet d'un champ électrique sur la forme d'un ménisque dans une rainure carrée est développé. Une attention particulière est apportée à la compréhension fine des couplages entre les phénomènes EHD, de mouillage et de capillarité. Les résultats du modèle sont produits sous forme d'abaques en nombre sans dimension, afin d’utiliser ces derniers comme outils de dimensionnement de FPHP EHD. Deux sections d'essais, composées d'une même structure capillaire formée de rainures longitudinales, sont testées. Une section a pour but d'étudier l'effet du champ électrique sur la forme de l'interface, à l'aide d'un microscope confocal en condition isotherme. L'étude de l'effet du champ électrique est abordée en régime permanent, mais aussi en régime fréquentiel par la mise en place d'une méthode dite de vobulation. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats numérique afin de valider ces derniers. La deuxième section d'essais a pour but d'étudier l'effet du champ électrique sur les performances thermiques d'un caloduc plat. Des effets du champ électrique sur la distribution liquide sont observés à l'aide d'une caméra et les effets sur le profil de température sont mesurés à l'aide de thermocouples le long du caloduc. Les résultats obtenus permettent d’élargir les perspectives de recherche en vue d’améliorer l’état des connaissances sur l’utilisation d’un champ électrique dans un caloduc plat.

Planetary gears are widely used inside power transmissions, especially in the transport or heavy industry: they provide a substantial reduction ratio while keeping a minimal volume, which is a benefit for the industry in a ecological point of view. Yet, this diminution in volume comes with an augmentation of the thermal mass power inside the tranmission. When this transmission is splash lubricated, the thermal response of the system becomes a crucial problem because it cannot provide the sufficient cooling that the injection lubrication does. Moreover it adds up another source of power loss with the drag loss of the rotating parts, that heats the transmission as well. That type of lubrication is nonetheless easy to maintain unlike the injection. Thus, the thermal modeling of such transmission seems a necessity in order to estimate the conditions until this type of lubrication is viable, especially when heavily loaded. The litterature provides little to no model to predict to drag power losses in a planetary gear set, especially since it mainly dealt with oil injected ones. So, the first step is to developp a dedicated power loss prediction model for drag losses occuring in a planetary gear set. This has been done using a dedicated test rig. The second step uses this prediction model to developp a thermal model of an industrial reducer, using the thermal network method. This has been donc in order to optimize multiple aspects: the impact of the tribology on the thermal response of the reducer and the optimization of the oil volume inside the splash lubricated reducer. In regards to these results, the power loss prediction model for drag loss seems to be robust ; the thermal model simulates correctly the thermal response of the reducer and is a powerful tool to optimize the industrial reducer., Les transmissions de puissance par trains épicycloïdaux sont courantes dans l'industrie du transport et de la manutention : elles procurent un fort rapport de réduction dans un volume toujours plus réduit, ce qui est un atout pour les industriels toujours plus attentifs à leur impact écologique. Cependant cette diminution de volume implique une augmentation de la puissance massique au sein de ces transmissions. Dans la cas où cette transmission est lubrifiée par bain d’huile ou barbotage, la problématique de la thermique devient alors un enjeu majeur car elle ne permet plus un refroidissement de la transmission, contrairement à la lubrification par injection. Elle apporte aussi une nouvelle source de perte par traînée, appelée perte par barbotage, qui ajoute à la production de chaleur produite par le frottement aux dentures et les roulements. Cette lubrification apporte cependant une facilité de maintenance utile pour des applications comme le transport. Ainsi, la modélisation thermique d'un tel train lubrifié par barbotage semble une nécessité pour estimer jusqu'à quel point ce type de lubrification est viable pour des transmissions par train épicycloïdal fortement chargé. Aucun modèle de prédiction des pertes de puissances, spécifiques à un train épicycloïdal en barbotage, n’est donné dans la littérature et la modélisation thermique a toujours porté sur de la lubrification par injection. Dans un premier temps, un modèle de prédiction des pertes par barbotage a été développé sur un banc d’essais en laboratoire pour, dans un second temps, modéliser thermiquement un réducteur de vitesse industriel en vue de l’optimiser sur plusieurs aspects : impact de la tribologie sur la thermique et optimisation du volume d’huile. Au regard des résultats présentés dans ce manuscrit, le modèle de pertes par barbotage prédit convenablement la perte pour plusieurs huiles testées ; le modèle thermique simule alors bien la thermique du réducteur et semble être un bon outil pour optimiser le réducteur industriel.

The main objective of this thesis is to make more reliable and relevant building’s energy performance diagnostic. The current regulatory context is too simplified to allow massification of efficient building retrofit. Currently, building’s energy performance diagnostic is made in order to make comparable building’s performance without taking into account the use, the functioning and the external environment. The result is a standardized performance and not a representative performance of the building. Finally, renovations recommended are not specific to the building and the resulting savings are tainted with errors. In order to change this, it is proposed to rethink the building’s energy performance diagnostic by taking into account the external environment, the uses, the actual functioning of the building and all the uncertainties associated with them. In addition to renovations to achieve on the building envelope, and technical equipment, the proposed diagnosis will also include an analysis of uses to highlight potential energy saving before retrofit.At first, we must have information on the building:-Physical information: plans, sections, materials used, technical equipment in place.-Consumption data: they are retrieved from a building instrumentation system.Those data will be used into two different diagnostic tools. The first is an improvement of regulatory building’s energy performance diagnostic. The second allows the analysis of consumptions patterns of the building.In order to improve the result of the regulatory building’s energy performance diagnostic, the energy consumption sources that are not taken into account will be added and the calculation of existing energy consumption sources will be improved to reach a higher level of precision. The data from the instrumentation system will also be used to get information on consumptions patterns of the building, performance of technical equipment and the external environment. Those data will also allow to get the correct calibration of the global energy performance from the new building’s energy performance diagnostic. Once calibrated, the results will be compared with threshold values to identify building’s weaknesses and subject to a sensitivity and uncertainty analysis. The main objective is to make the result of the new building’s energy performance diagnostic more relevant and identify sensitive and influential parameters.Consumptions data will be analyzed to highlight different consumption patterns of the building to finally extract a potential energy saving without carrying out renovation. In order to do that, statistical tools will be used. At first, the clustering method developed will allow to get together days with similar consumptions profiles. Next, among all the groups realized, those identified as a drift of the building’s consumptions will be analyzed to highlight the potential. This potential is relative to the dataset considered. We don’t know the optimal performance of the existing building and this potential may not be sufficient to reach it. To be relevant, this potential must take into account several parameters (occupation, heating period, summer period…) and all factors that can affect the building’s energy consumption.The ultimate goal is to have these two tools interact to improve the accuracy of building’s energy performance diagnostic. The improvement of energy performance does not necessarily involve renovation work, different solutions are possible:-The optimization of the existing: the energy savings potential will be used to optimize the building's performance.-Unit Actions / Heavy Renovation: dialogue between the building’s energy performance diagnostic and the results of the potential for energy savings will be needed.Energy savings generated by this analysis are double. We play both on the building, its equipment and their uses. Energy savings generated are then more precisely controlled, L’objectif de ce travail de thèse est de fiabiliser et rendre pertinent le diagnostic de performance énergétique d'un projet de rénovation de bâtiments. Le contexte réglementaire actuel est trop simplifié pour permettre de massifier les rénovations énergétiques performantes. Actuellement, les diagnostics sont réalisés de façon à rendre comparable la performance des bâtiments sans tenir compte de l’usage, du fonctionnement et de l’environnement extérieur. Le résultat obtenu est une performance standardisée et non une image de la performance réelle du bâtiment. Les travaux préconisés à l’issue de ce diagnostic ne sont donc pas spécifiques au bâtiment et les économies qui en découlent sont entachées d’erreurs. Pour changer cela il est proposé de repenser le diagnostic énergétique en prenant en compte l’environnement extérieur, les usages, le fonctionnement réel des bâtiments ainsi que l’ensemble des incertitudes qui y sont associées. En plus des actions à mener sur l’enveloppe du bâtiment et ses équipements techniques, le diagnostic proposé intégrera aussi une analyse des usages afin de mettre en évidence un potentiel d’économies d’énergie avant travaux.Dans un premier temps, il est nécessaire de disposer d’informations sur le bâtiment :- Des informations physiques : plans, coupes, métrés, matériaux utilisés, équipements techniques en place.- Des données de consommation et d’usage : elles sont récupérées via un système d’instrumentation du bâtiment.Ces données seront par la suite utilisées pour alimenter deux outils de diagnostic. Le premier, étant une amélioration du diagnostic de performances énergétiques réglementaires. Le second portant sur l’analyse des données de consommation et d’usage du bâtiment.Afin d’améliorer le résultat de l’outil de diagnostic les postes de consommations non pris en compte seront ajoutés et les méthodologies de calculs existantes sur les postes de consommations conservés seront modifiées, au besoin, pour atteindre le niveau de précision souhaité. Les données issues du système d’instrumentation seront elles aussi réutilisées pour obtenir des informations précieuses sur le niveau de service du bâtiment (température, rendement…) mais aussi sur son environnement extérieur. L’intégration de ces données dans l’outil de diagnostic permettra de le calibrer et d’obtenir une image précise de la performance réelle du bâtiment. Des garde-fous seront aussi mis en place pour permettre d’identifier rapidement les faiblesses du bâtiment. Une fois calibré, le modèle créé sera utilisé pour réaliser une analyse de sensibilité et d’incertitude. L’objectif est de fiabiliser le résultat de l’outil de diagnostic énergétique mais aussi d’identifier les paramètres sensibles et influents sur cette performance.Les données de consommation et d’usages seront analysées pour comprendre comment est consommée l’énergie dans le bâtiment et mettre en évidence un potentiel d’économies d’énergie sur l’usage de ce dernier sans mener de campagne de travaux. Pour cela les données seront traitées à l’aide d’outils statistiques. Dans un premier temps la méthode de clustering développée permettra de regrouper les jours ayant des profils de consommations semblables. Ensuite parmi les regroupements réalisés, ceux identifiés comme une dérive du bâtiment seront isolés afin de mettre en évidence le dit potentiel. Le potentiel ainsi mis en évidence est relatif au jeu de données considéré, on ne connait pas la performance optimale du bâtiment (en l’état) et ce potentiel mis en évidence ne sera peut-être pas suffisant pour l’atteindre. Cependant, pour que ledit potentiel soit pertinent, le traitement de ces données devra bien entendu s’effectuer sur une période représentative du fonctionnement du bâtiment, il faudra aussi prendre en compte ses usages (occupation, période de chauffe, période estivale…) ainsi que les différents facteurs pouvant influer sur les consommations d’énergie

Icing has been identified as a serious issue since the start of aeronautics. The recent evolution of engine certification has extended the atmospheric domain to ice crystal. Under these conditions, aircraft engine manufacturers have to ensure a reliable in flight operability. Ice crystal accretion occurs at high altitude and with positive temperature, contrary to usual supercooled droplet icing issue. The mechanisms involved are complex with strong coupling between ice crystals, aerodynamics and thermics in the airflow as well as on the engine walls. The purpose of this thesis is to develop and validate means of simulation to predict the accretion generated by ice crystal ingestion. To meet this objective, an experimental database which was little studied was analysed, leading to the improvement of ice layer erosion and crystals sticking efficiency models developped during previous research. These new models enable a better agreement between numerical simulations and experimental observations, as well as an extension of simulation capacities. In the meantime, the developement were implemented in CEDRE, ONERA’s multiphysical calculation chain, and simulations of engine configurations were realised. Thus, CEDRE operability and capacity to predict accretion risk for some icing conditions were demonstrated. Furthermore, some limitations have been identified, opening research oulooks and future developments., Le givrage est un des phénomènes atmosphériques les plus sévères pour les aéronefs et les moteurs. Les évolutions récentes de la réglementation ont étendu les exigences de certification au cas des cristaux de glace. Pour ces conditions, les moteurs d’avion doivent démontrer un fonctionnement robuste en vol. Contrairement aux gouttes en surfusion rencontrées dans les conditions de givrage habituelles, les cristaux de glace peuvent s’accréter jusqu’à très haute altitude et à température positive à l’intérieur du moteur. Les mécanismes associés sont complexes car ils font intervenir des couplages forts entre le transport des cristaux, l’aérodynamique et la thermodynamique dans l’écoulement ainsi qu’à la paroi. L’objectif de cette thèse est de développer et valider des moyens de simulation numérique permettant de prévoir ces phénomènes. Pour remplir cet objectif, une base de données expérimentales peu étudiée précédemment a été analysée, conduisant à l’amélioration des modèles d’érosion de la couche de glace et d’efficacité de collage des cristaux développés lors de précédentes recherches. Ces nouveaux modèles permettent un meilleur accord entre les simulations numériques et les observations expérimentales, ainsi que l’extension des capacités de simulation. En parallèle, les développements ont été implémentés dans CEDRE, la chaine de calcul multiphysique 3D de l’ONERA, et des simulations ont été réalisées sur des configurations de moteurs. La capacité de l’outil à prévoir le risque d’accrétion dans certaines conditions givrantes a ainsi pu être démontrée. Des limitations ont également été mises en évidence, ouvrant des perspectives de recherche et de développement futurs.

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.

Models used for studies of atmospheric reentry vehicles are mainly developed with data from wind tunnel test campaigns. Despite such data are highly instructive, they do not reflect all the conditions encountered during reentry. Measurements carried out during atmospheric flights can be used to deal with this lack of data. Within this context, the present work consisted in an aerothermodynamic analysis of the atmospheric reentry of a reusable lifting body from a low Earth orbit. This study used thermocouple and infrared thermographic temperature measurements carried out during the atmospheric reentry of the IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) spaceplane. This vehicle was an automatic lifting body designed and launched by the European Space Agency. The aerothermodynamic analysis involved two approaches. The first one is based on inverse heat conduction problems: the purpose was to estimate the unknown convecto-diffusive heat flux at the windward surface of IXV using temperature measurements on the leeward surface of a flap or inside the thermal protection systems. However, estimates from inverse analyses do not bring information about physical phenomena in the shock layer which could generate convecto-diffusive heat flux at the surface. This point justifies the work from the second approach, based on 1D and 3D Navier-Stokes simulations of the hypersonic flow around IXV. The purposes of these simulations were to analyse and identify the physical phenomena which allowed the convecto-diffusive heat flux from inverse problems to be reproduced. This association between inverse methods and Navier-Stokes simulations was previously tested on data from the orbiter Columbia during the STS-2 atmospheric reentry. The long-term objective is to improve aerothermodynamic databases and tools for the preparation of Europe’s future automated reentry systems., Les modèles développés pour l'étude des rentrées atmosphériques sont essentiellement basés sur des mesures en soufflerie. Bien que ces dernières soient riches en enseignements, elles ne sont pas représentatives de l'ensemble des conditions rencontrées lors d'une rentrée atmosphérique. Pour combler ce manque de données il est nécessaire de traiter des mesures réalisées en vol. Les présents travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte et proposent une analyse aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique d'un véhicule réutilisable, de type corps portant, depuis une orbite basse terrestre. Plus précisément cette analyse traite du flux de chaleur convecto-diffusif à l'intrados du véhicule. Pour remplir cet objectif l'étude s'appuie principalement sur les mesures de température effectuées au cours de la rentrée atmosphérique de l’IXV (Intermediate eXperimental Vehicle), le premier véhicule autonome de l'Agence Spatiale Européenne piloté sur une trajectoire planante. Les mesures de température ont été réalisées dans les protections thermiques de l’intrados et à la surface extrados des gouvernes à l’aide de thermocouples et d'une caméra infrarouge. L'analyse aérothermodynamique s'articule autour de deux approches complémentaires. La première est une estimation par méthodes inverses 1D et 3D du flux de chaleur convecto-diffusif à la surface intrados de l'IXV à partir des mesures de température. Cependant ces estimations ne permettent pas à elles seules de remonter jusqu'à l'historique des phénomènes physico-chimiques dans la couche de choc. Ce point justifie la présence de la deuxième approche basée sur des simulations Navier-Stokes 1D et 3D de l'écoulement. Ces simulations ont été menées afin d'identifier et d'analyser de possibles scénarios des phénomènes physico-chimiques permettant de reproduire les niveaux du flux de chaleur estimés par méthode inverse. Cette méthode, basée sur les résultats d'une approche par méthode inverse et d'une approche par simulations de l'écoulement, a préalablement été testée sur les données des premiers vols de la navette spatiale américaine Columbia. Finalement, ces travaux de thèse présentent une lecture approfondie des mesures réalisées au cours du vol de l'IXV. Sur le long terme ces données permettront de compléter les bases de données aérothermodynamiques et d'améliorer les outils de dimensionnement des véhicules de rentrée atmosphérique.

The high energy demands for space heating and domestic hot water in buildings, character-ized by peaks in consumption at the beginning and end of the day as well as in winter, repre-sent a major challenge in terms of the use of renewable energies. A system of thermochemical energy storage (TCES), one of the most promising accessible technologies, could store different types of energies as chemical potential without energy dissipation. As a recently studied TCES material, ettringite is suitable for large scale use due to its no-toxicity, low material cost, and high energy density at lowing operating temperature. The first objective of this thesis was to study the physicochemical properties of ettringite and the reaction mechanisms during the hydration (formation of ettringite) and dehydration (formation of meta-ettringite) processes. The knowledge obtained on the reaction kinetics and thermodynamics (Dehydration: Ett30.6 → Ett30 → Met12 → Met6; Hydration: Met7.4 → Met12 →24-hydrate → higher hydrates) allows better use of ettringite for heat storage/release (under different isothermal and isobaric conditions). After having studied the properties of pure ettringite, three different cementitious binders that are industrially producible were used to test different ettringite contents but also mixtures of particular hydrated phases. The work carried out made it possible to study the carbonation mechanisms of these different ettringite materials and to deduce some relevant information as to their durability in terms of their use in TCES. Finally, the ettringite-based material most resistant to the carbonation phenomenon has been characterized by different analysis techniques in order to better control the influence of ther-mo-physical parameters on its energy performance. This material was then incorporated into a fixed bed reactor in the form of a 56 mm high porous bed composed of granules (1–2 mm in diameter). The energy charging / discharging process carried out to study the reversibility of ettringite / meta-ettringite under various experimental conditions. The reactor tests then showed that a maximum instantaneous power of 915 W per kg of initial hydrated material and an energy-releasing density of 176 kWh/m3. These results will be very useful in designing a future prototype (in scale 1:1) containing ettringite materials for a heating system in buildings., Les besoins en énergie dédiés au chauffage et à l'eau chaude sanitaire dans des bâtiments, caractérisés par des pics de consommation en début et en fin de journée tout comme en hiver, représentent un défi d’importance vis-à-vis de l'utilisation des énergies renouvelables. Une des technologies les plus prometteuses, se présente sous la forme d’un système de stockage d'énergie dit thermochimique (TCES). Ce mode de stockage permet en effet de stocker différents types d'énergie sous la forme d’un potentiel chimique et est caractérisé par une absence de dissipation d'énergie. En tant que matériau de stockage thermochimique récemment étudié, l'ettringite conviendrait ainsi à une utilisation à grande échelle en raison de sa non-toxicité, de son faible coût de production et de sa haute densité énergétique à basse température de fonctionnement. Cette thèse avait pour premier objectif d’étudier les propriétés physico-chimiques de l’ettringite et les mécanismes réactionnels lors des processus d'hydratation (formation d’ettringite) et de déshydratation (formation de méta-ettringite). Les connaissances acquises lors de ces travaux de thèse, vis-à-vis de la cinétique des réactions et des diagrammes thermodynamiques (Déshydratation: Ett30.6 → Ett30 → Met12 → Met6; Hydratation: Met7.4 → Met12 →hydrate de 24H2O→ hydrates supérieurs), permettront ainsi de mieux utiliser l'ettringite pour stocker/déstocker de la chaleur (à différentes conditions isothermes et isobares). Après avoir étudié les propriétés de l'ettringite pure, trois liants cimentaires distincts pouvant être produits industriellement ont été utilisés afin de tester des teneurs en ettringite différentes mais aussi des mélanges de phases hydratées particulières. Les travaux effectués ont permis d’étudier les mécanismes de carbonatation de ces différents matériaux ettringitiques et de déduire plusieurs informations pertinentes quant à leur durabilité dans le cadre d’une utilisation en tant que TCES. Enfin, le matériau cimentaire ettringitique le plus résistant au phénomène de carbonatation a été caractérisé par différentes techniques d’analyse afin de mieux maitriser l’influence des paramètres thermo-physiques sur sa performance énergétique. Ce matériau a ensuite été in-corporé dans un réacteur à lit fixe, sous la forme d’un lit poreux de 56 mm de hauteur composé de granulés de 1 à 2 mm de diamètre. Le processus de chargement/déchargement de l'énergie a été réalisé pour étudier la réversibilité du couple ettringite/méta-ettringite dans diverses conditions expérimentales. Les essais réalisés dans le réacteur ont alors montré qu’une puissance instantanée maximale de 915 W par kg de matière hydratée initiale et une densité de déstockage d'énergie de 176 kWh/m3 pouvaient être obtenues. Ces données seront très utiles pour envisager un futur prototype (à l’échelle 1:1) d’un système de chauffage contenant de l’ettringite et destiné aux bâtiments.