UPThèses

Le présent travail s’inscrit dans le cadre du labCom ANR Optifum. Il concerne l’étude des phénomènes d’incendie dans les conduits de cheminée. Face à la grande diversité des dépôts qui peuvent être impliqués dans de tels sinistres, une étude expérimentale préliminaire a permis d’identifier le lignite comme matériau représentatif. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite est étudiée à petite échelle. À partir de l'analyse des courbes expérimentales de perte de masse obtenues en analyseur thermogravimétrique, des mesures DSC et de la littérature, quatre mécanismes de pyrolyse sont proposés : un détaillé et trois simplifiés afin de déterminer le niveau de complexité nécessaire à inclure dans le modèle cinétique pour décrire correctement la chimie de la décomposition thermique du lignite. Les modèles numériques ont été validés sous différentes conditions de chauffage avec la détermination des paramètres cinétiques associés aux schémas cinétiques. Ensuite, la décomposition thermique du lignite est étudiée sous atmosphère oxydante. Trois mécanismes réactionnels sont proposés. A l’échelle suivante, des phénomènes supplémentaires tels que les processus de transfert de chaleur et de masse s’ajoutent et doivent être pris en compte. La description de la décomposition thermique nécessite la connaissance de paramètres physiques et thermiques du lignite et du char formé. Ces propriétés sont déterminées expérimentalement et constituent les données d’entrée des modèles. Les quatre modèles de pyrolyse déjà proposés et validés en 0 D sont implémentés en 1 D dans le code PATO. Les résultats numériques de la perte de masse, de la vitesse de perte de masse et des températures à l'aide des 4 modèles sont validés expérimentalement. A échelle croissante nous avons investigué la décomposition thermique et l’inflammation d’un milieu poreux constitué de lignite. Pour cela, trois campagnes d'essais expérimentaux ont été menées. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite a été étudiée en cône calorimètre à atmosphère contrôlée sous différentes conditions (atmosphère inerte et oxydante, faible et grande puissance…) et structures de lits poreux (taille des particules les constituant). Dans un deuxième temps, un front de gaz traversant à contre-courant le front de pyrolyse a été imposé pour différentes atmosphères (N₂, 10% d’O₂, 18% d’O₂ et 21% d’O₂), puissances et structures de lits poreux. Pour cela, le cône a été modifié spécifiquement pour se positionner dans des configurations et pour des conditions permettant une certaine représentativité des feux au sein des conduits (dynamiques d’écoulement, conditions d’oxygénation, etc.). L’analyse comparative des résultats de la première et de la deuxième campagne montre le rôle important que peuvent avoir la structure du lit poreux et les réactions d’oxydation dans l’accélération de la combustion hétérogène du lignite. La 3ème campagne a été menée avec un dispositif spécifiquement développé et instrumenté à l’échelle du conduit de cheminée, pour ce travail. Les principaux paramètres qui influent le temps d’inflammation et sa sévérité ont été investigués avec la détermination des conditions minimales d’inflammation. Il a aussi s’agit de comprendre la décomposition thermique et la combustion d’un lit de lignite à travers l’analyse des résultats de pertes de masse et les températures associées sous différentes conditions : température d’air, pourcentage d’oxygène, structures du lit de lignite…

Un développement semi-analytique exact à l’aide de la méthode du lancer de rayons, suivi de simulations numériques du transfert de chaleur par rayonnement et rayonnement-conduction est appliqué à un milieu semi-transparent gris, compris dans une enceinte rectangulaire 2D avec un obstacle carré et centré. Ce travail est subdivisé en trois parties, dont la première traite de l’étude du rayonnement avec surfaces noires, la seconde prend en compte l’effet réfléchissant et diffus des surfaces et la troisième analyse le couplage conduction-rayonnement en présence des surfaces noires. L’obstacle ne participe pas au transfert de chaleur, le milieu participatif absorbe et émet du rayonnement, avec des températures imposées constantes aux surfaces du milieu semi-transparent. On s’intéresse à évaluer le comportement qualitatif et quantitatif des grandeurs radiatives, tels le champ de température et du flux radiatif dans le milieu qui restent d’une grande importance en ingénierie. La configuration géométrique du milieu semi-transparent en fonction des différentes tailles de l’enceinte et de l’obstacle révèle l’existence de plusieurs sous zones, dont la modélisation du rayonnement incident diffère au regard de la marche des rayons de chaleur. Dans la première partie, l’équation du transfert radiatif est résolue via le biais des fonctions spéciales de Bickley-Naylor qui génèrent des résultats assez précis, suivi de l’analyse numérique à dérivée des quadratures des Gauss. Les résultats du profil de température, du flux de chaleur sont comparés avec la littérature, des simulations numériques montrant l’influence de l’obstacle sur la distribution des grandeurs radiatives sont présentées et ces derniers informent de la validité de la présente analyse. Dans la deuxième partie, la technique de radiosité est introduite pour déterminer précisément les expressions semi-analytiques exactes de températures de radiosité aux surfaces ainsi que le flux de chaleur résultant dans le milieu participatif. Il ressort de là, d’étranges observations au regard des effets de l’émissivité et du ratio entre la taille de l’obstacle et de l’enceinte sur les grandeurs radiatives. Dans la troisième partie, le mode conductif s’adjoint au rayonnement et se modélise par la méthode des différences finies centrées. Des résultats obtenus ont certes été comparés avec la littérature, mais aussi l’effet conjugué du paramètre rayonnement-conduction, du coefficient d’absorption ont été interprétés.

Nous étudions dans cette thèse la rectification thermique de diodes thermiques radiatives ou conductive constituées de matériaux à changement de phase.Cette thèse est divisée en trois parties. Dans les premières parties, nous modélisons comparativement les performances d’une diode thermique conductive sphérique et cylindrique constitués de VO2 présentant un transition de phase et des matériaux n’en présentant pas. Des expressions analytiques aux bornes des diodes sont dérivées. Des flux thermiques, des facteurs de rectifications ainsi que les profils de température à l’intérieur de la diode sont obtenus. Nos résul-tats montrent que les différentes géométries de diodes ont un impact significatif sur les profils de température et les flux thermiques, mais moins un sur les facteurs de rectification. Dans ce travail, nous avons obtenu des facteurs de rectification maximaux allant jusqu’à 20.8% et 20.7%, qui sont supérieurs à celui prédit pour une diode plane constituée de VO2. Nous montrons également que des facteurs de rectification similaires à ceux obtenus avec le VO2 dans les géométries sphériques et cylindriques peuvent être atteints avec des matériaux à changement de phase dont le contraste de conductivité est plus important que dans le cas du VO2. Dans la deuxième partie, nous étudions la rectification de diodes thermiques constituées de deux matériaux à changement de phase. Avec, l’idée de générer un facteur de redressement plus élevé que dans le cas d’une diode thermique conductive ne comprenant qu’un matériau à changement de phase unique. Là encore, le travail a conduit à l’établissement d’expressions explicites pour les profils de température, les flux thermiques et le facteur de rectification. Nous avons obtenu un facteur de rectification optimal de 60% avec une variation de température de 250 K couvrant les transitions métal-isolant des deux matériaux. Dans la troisième partie de notre travail, nous avons modélisé et optimisé la rectification thermique de diodes thermiques planes, cylindriques et sphériques radiatives à base de deux matériaux à changement de phase. Nous savons calculer et analyser les facteurs de rectification de ces trois diodes et obtenu les facteurs de rectification optimaux respectifs pour les trois géométries 82%, 86% et 90.5%. Nos résultats montrent que la géométrie sphérique est la meilleure pour optimiser la rectification des courants thermiques radiatifs. De plus, des facteurs de rectification potentiellement supérieurs à ceux prédits ici peuvent être réalisés en utilisant deux matériaux à changement de phase avec des contrastes d’émissivités plus élevés que ceux proposés ici. Ces résultats analytiques et graphiques fournissent un guide utile pour optimiser les facteurs de rectification des diodes thermiques conductives et radiatifs basées sur des matériaux à changement de phase de géométries différentes.

Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’optimisation des performances des piles à combustibles PEMFC, à travers le développement de nouveaux designs de plaque d’alimentation. Des outils tel que le bilan hydrique et l’analyse des bruits électrochimiques ont été utilisés comme diagnostic de la gestion de l’eau au sein d’un mono-cellule PEMFC. Une gestion optimale du transport d’eau permet une augmentation des performances et de la durée de vie des piles à combustible. Le bilan hydrique a été utilisé pour mesurer et encadrer la valeur du coefficient de diffusion effectif de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles. De nouvelles géométries de plaque d’alimentation ont été développées et caractériser par des mesures classiques de courbes de performance et des mesures de pression. La technique du bruit électrochimique a été utilisée pour détecter des phénomènes liés au comportement de l’eau lors du fonctionnement de la pile pour chaque géométrie développée. Le bruit électrochimique enregistré pendant ces expériences a été associé à des mécanismes sources grâce à une démarche expérimentale et à un traitement de signal approprié basé sur l’analyse fréquentielle et temporelle. Les résultats des descripteurs obtenus par l’analyse temporel et fréquentiel ont permis de d’obtenir la signature dans un fonctionnement normal de pile à combustible utilisant une géométrie classique de canaux en serpentin. Cette signature a été comparée aux nouveaux designs développés permettant de caractériser l’influence de ces nouvelles géométries sur le transport d’eau. Enfin, de manière à compléter l’approche expérimental effectuée sur le coefficient de diffusion de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles PEMFC, une modélisation de la courbe de polarisation prenant en compte ce coefficient a été développé et comparé aux courbes de performances expérimentales. En termes d’ouverture, l’impact des nouvelles géométries développées a été étendu à leur utilisation en stack et un modèle de pronostic basé sur les réseaux de neurones artificiels a été proposé.

L'objectif de cette étude est de développer et d’améliorer des modèles de combustion et de rayonnement pour les simulations aux grandes échelles (LES) de feux turbulents représentatifs de scénarios de feu. L’approche retenue repose sur un modèle de combustion de type bibliothèque de flammelettes correspondant à une flamme de diffusion à contre-courant (laminaire stationnaire, plane et uni-dimensionnelle). Le modèle de rayonnement comprend une description classique des phénomènes de rayonnement non locaux par l’équation de transfert radiatif (RTE). Différentes configurations sont étudiées : un traitement dans lequel les phénomènes locaux de rayonnement sont négligés au sein du solveur de flammelette, un traitement dans lequel ces phénomènes sont inclus, puis la configuration dans laquelle les interactions turbulence-rayonnement à une échelle inférieure à celle de la maille (TRI) sont incluses dans le solveur de RTE. Ce travail est réalisé à l’aide du solveur de FireFOAM développé par FM Global. Le cas test retenu pour le développement et la comparaison des modèles est un brûleur en ligne turbulent qui a été caractérisé expérimentalement à l'université du Maryland. La composition du combustible (méthane), la chimie d’oxydation du combustible (mécanisme chimique détaillé pour la combustion air-méthane) sont connues. Des essais ont été réalisés avec des injections à co-courant, dans des situations de dilution à l’azote ou pas. Les résultats des simulations numériques pour les différentes configurations sont évalués par comparaison avec les mesures expérimentales caractéristiques, telles que les températures, la fraction molaire d'oxygène locale, la puissance, le rayonnement émis et l'efficacité de combustion. Un bon accord est obtenu pour les températures tandis que la puissance rayonnée est significativement sur-prédit. Ce résultat peut être expliqué par la limitation du modèle de rayonnement gris. Le désaccord concernant les fractions molaires d'oxygène révèle la restriction du modèle actuel de combustion de type flammelette. Enfin, les comparaisons pour l'efficacité de combustion montrent un bon accord, avec une erreur de seulement 8%.

Ce travail, divisé en deux parties principales, porte sur l’étude du transport de chaleur dans les nano-couches excitées par une source laser d'intensité modulée. Dans la première partie, nous exploitons la solution analytique de l’équation de transport de Boltzmann appliquée aux phonons pour décrire les variations de la température et du flux de chaleur dans les films minces diélectriques excités par un laser d’intensité modulée. Cette dernière solution nous permet de modéliser le comportement de la résistance thermique d’interface (RTI) entre deux couches diélectriques en fonction de la nature du régime du transport des phonons et de la fréquence de modulation. Dans le régime stationnaire, nous montrons que cette résistance d’interface présente un caractère non-intrinsèque et asymétrique par rapport aux propriétés des deux couches. En plus, elle devient très importante quand le régime du transport des phonons est balistique. Nos résultats sont en bon accord avec le modèle DMM dans le régime balistique, tandis que l’écart entre les deux modèles ne dépasse pas 16% dans le régime diffusif. Cependant, en régime dynamique, la RTI atteint son maximum à une fréquence caractéristique dans la limite diffusive. L’expression de cette fréquence caractéristique pourrait servir à déterminer le libre parcours moyen et le temps de relaxation des phonons dominants de la couche d’épaisseur finie en comparant les données expérimentales aux résultats théoriques. Dans la seconde partie, nous proposons trois différentes méthodes pour extraire simultanément la diffusivité et la conductivité thermiques d’une couche finie en se basant sur l’équation de la chaleur de Fourier. L’idée est d’utiliser l’expression exacte du profil de température à la face avant lorsque celle-ci est excitée par un flux thermique modulé, tandis que la face arrière peut être maintenue à trois différentes conditions : température modulée, flux thermique modulé où température constante. Nous déterminons les expressions des fréquences de modulation auxquelles le profil de température atteint ses premiers maximum et minimum. La combinaison de ces fréquences caractéristiques avec le rapport entre les premiers maximum et minimum de la température, conduit ainsi à la détermination de la diffusivité et de la conductivité thermiques.

Dans l’étude de la propagation du feu le long des chemins de câbles dans les centrales nucléaires, la nature des câbles et de leur gaine a été identifiée comme un facteur important jouant sur le développement du feu. Dans le but de simuler la pyrolyse et la propagation du feu le long de ces câbles, il est nécessaire de caractériser les propriétés thermiques et thermocinétiques des matériaux dont ils sont constitués tout au long du processus de leur dégradation. Or, la caractérisation directe de certaines propriétés, notamment la conductivité thermique, n’est pas toujours aisée dans la mesure où les résidus de ces matériaux peuvent changer de volume, de morphologie et être friables. C’est pourquoi il est proposé dans ce travail d’estimer la conductivité de ces matériaux et de leurs résidus en prenant en compte leur morphologie caractérisée par micro-tomographie et la conductivité de leurs constituants. Cette approche se divise en quatre étapes : - Construire une représentation 3D des polymères aux étapes les plus significatives de leur pyrolyse compte tenu de la cinétique de leur dégradation, à partir d’images acquises par tomographie X pour la macro-structure et par microscope électronique à balayage (MEB) pour la micro-structure. - Evaluer les conductivités thermiques effectives des polymères dégradés à ces étapes par une méthode d’homogénéisation numérique. - Proposer un modèle conceptuel pour l’évolution de la morphologie au cours de la dégradation du matériau, dont on déduit ensuite un modèle pour la conductivité thermique. - Implémenter ce modèle de conductivité effective dans la modélisation de la pyrolyse afin d’effectuer la simulation complète de la dégradation de ces matériaux, en tenant compte des transferts de chaleur et de masse et des réactions chimiques. Dans le cadre de cette thèse, on s’intéressera plus particulièrement au cas de mélanges EVA-ATH (Ethylvinyl-acétate et aluminium-trihydraté, agent ignifuge minéral). Ces matériaux contiennent une dispersion de grains d'environ 2 µm correspondant à la charge d’ATH, et leurs états dégradés présentent des pores dont la taille n’excède pas quelques centaines de microns. On s’attend donc à ce que les transferts thermiques soient dominés par la conduction et que le rayonnement joue un rôle négligeable. Par ailleurs, il existe un fort écart de conductivité entre les différents constituants, à savoir les gaz occupant le volume des pores, la matrice polymère, l’ATH et l’alumine issue de sa déshydratation. Ces contrastes induisent une forte incertitude sur la conductivité effective du matériau. Dans ce contexte, l’approche proposée permet d’estimer la valeur de la conductivité effective mais aussi les incertitudes liées à différentes caractéristiques du matériau (échelles de porosité, anisotropie, conductivité des différentes substances en présence). Cette estimation porte en premier lieu sur les états de dégradation particuliers observés sous tomographie et imagerie MEB. Mais la formulation d’un modèle conceptuel donne également accès à cette conductivité tout au long de la dégradation du matériau. Ces estimations sont enfin utilisées pour réaliser des simulations de pyrolyse avec le logiciel de simulation des incendies CALIF3S-ISIS de l’IRSN. Ces simulations visent d’une part à reproduire des essais de dégradation d’échantillons d’EVA-ATH sous cône calorimètre issus de la littérature ; d’autre part, des études de sensibilité aux incertitudes sur les différents paramètres du modèle, incluant celles du modèle de conductivité effective, sont menées afin de déterminer, pour ce type de matériau, les paramètres ayant le plus d’influence sur le processus de pyrolyse.

Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’optimisation des performances de la PEMFC, à travers le développement d’outils de diagnostic dédiés à la gestion de l’eau. Celle-ci est un des éléments clé de l’augmentation des performances et de la durée de vie des piles à combustible. La technique du bruit électrochimique a été utilisée pour détecter des phénomènes liés au comportement de l’eau lors du fonctionnement de la pile dans différentes conditions opératoires (humidité relative des gaz, température et courant). Le bruit électrochimique enregistré pendant ces expériences a été associé à des mécanismes source grâce à une démarche expérimentale appropriée et à un traitement de signal basé sur l’analyse fréquentielle et temporelle. Les résultats de l’analyse spectrale et statistique ont permis de décrire l’état de santé de la pile à combustible (assèchement et noyage), par la génération des descripteurs dans le domaine fréquentiel et temporel, signatures de chaque état de fonctionnement de la pile à combustible. Enfin, de manière à compléter l’approche effectuée sur la détection de l’assèchement de la membrane et le noyage de la cellule par l’étude des bruits électrochimiques, des capteurs de mesure de pression en amont de la cellule de PEMFC ont été utilisées et comparer au signaux de tension pour détecter le phénomène de noyage d’une mono-cellule de PEMFC.

Le développement de la technologie « piles à combustible » nécessite l'utilisation d'outils de diagnostic adéquats notamment pour le monitoring de l'état de santé des systèmes industriels (stacks) dans les conditions réelles de fonctionnement. L'utilisation des moyens traditionnels de diagnostic nécessite l'arrêt ou la perturbation du fonctionnement du système. Le travail de cette thèse vise le développement d'une approche innovante non intrusive pour le diagnostic des stacks PEM (Proton Exchange Membrane), basée sur la mesure des petites fluctuations électriques (bruits électrochimiques). Pour mesurer les bruits, un système d'acquisition des faibles signaux à haute fréquence a été utilisé sans filtrage analogique préalable. Ces mesures ont été dans le cadre du projet ANR « Propice » pour quatre campagnes de mesures avec la collaboration du FCLAB et du CEA LITEN. Les mesures des bruits électrochimiques, sur plusieurs semaines, ont permis de construire une base de données extrêmement riche. Pour traiter ces données, différents approches statistiques dans le domaine temporel, fréquentiel et tempo-fréquentiel ont été utilisés pour la génération de descripteurs fiables et robustes. Il a été démontré que la mesure des bruits permet d'obtenir une riche signature des stacks PEM dans un vaste domaine fréquentiel. Cette signature reflète les différents phénomènes physico-chimiques et est très sensible aux paramètres de fonctionnement du système. L'évolution de cette signature au court de temps peut être utilisée pour le diagnostic in-situ de d'état de santé des stacks commerciaux dans les conditions réelles de fonctionnement et pour le développement des moyens de pronostic.

Ce travail concerne les fluctuations électrochimiques de tension des batteries Li-ion, communément appelées bruit électrochimique. L'idée est d'utiliser la mesure de bruit électrochimique en fonctionnement pour générer, via du traitement de signal, des descripteurs statistiques permettant de caractériser le SOH (état de santé). L'objectif consiste à développer une méthode innovante de diagnostic non intrusif permettant de compléter les méthodes traditionnelles (impédancemétrie,...). DCNS St-Tropez a participé et compte développer cette approche dans le cadre d'une application d'alimentation d'armes sous-marines, qui nécessite un très haut niveau de sécurité et de fiabilité. La mesure de bruit des batteries Li-ion est difficile à cause des très bas niveaux du signal et nécessite des appareils performants. Nous avons installé une chaîne de mesure permettant d'acquérir les fluctuations de tension en décharge. Puis nous avons extrait le bruit grâce à une méthode numérique robuste. La tension de décharge est non-stationnaire, ce qui nécessite un traitement spécifique. L'analyse à court-terme par les moments d'ordre 2, 3 et 4 montre qu'il y a trois zones dans lesquelles les bruits sont complètement différents. Le milieu de la décharge présente une répartition uniforme caractérisé par une forme en V (minimum à SOC = 55%), des structures cohérentes tempo-fréquentielles sur les bords révélées par l'analyse en ondelettes. Notre modèle permet de trouver les sources de bruit prépondérantes et d'identifier les paramètres responsables du bruit électrochimique. Les applications futures concernent la caractérisation du vieillissement et la qualité de fabrication des batteries.