Pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux par indentation sphérique, nous proposons dans ce travail différentes définitions de déformations représentatives. L’application de ces définitions de déformations représentatives doit se faire en identifiant en premier lieu, les paramètres mécaniques de la loi d’Hollomon qui aboutissent aux grandeurs physiques les plus proches du matériau indenté à caractériser. Une fois ces paramètres identifiés, les déformations représentatives sont obtenues à partir du calcul du gradient des grandeurs mesurées en fonction des paramètres mécaniques identifiés. Nous nous sommes appuyés sur le modèle dérivable de Lee et al. pour appliquer nos définitions de déformations représentatives. Les résultats montrent, malgré les limitations du modèle reconstruit, qu’il est possible de retrouver des points, de coordonnées (contraintes représentatives; déformations représentatives), très proches de la loi d'écrouissage obtenues par essais de traction. Enfin, nous proposons nos propres modèles numériques dérivables permettant de prédire les grandeurs physiques d’indentation sphériques avec grande précision pour les matériaux métalliques et nous l'appliquons avec succès à la caractérisation mécanique de matériaux métalliques.

Actuellement, les matériaux de construction isolants biosourcés sont conçus dans le but de réduire les consommations d'énergie et de ressources non renouvelables. Une fois que leurs propriétés multiphysiques sont caractérisées à l'échelle du matériau, il est nécessaire d'étudier leur comportement à l'échelle de la paroi et du bâtiment. L’étude expérimentale et numérique à l'échelle de la paroi est réalisée en ambiance contrôlée. Le mur d'essai en matériaux bio-sourcés est implémenté comme mur de séparation d'un dispositif bi-climatique, qui permet de simuler des climats intérieurs et extérieurs. Ces climats correspondent à des climats français et tunisiens estivaux et de mi-saison. Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel WUFI Pro 6.5. Le comportement hygrothermique de la paroi est analysé à partir des cinétiques et des profils de température, d’humidité relative et de pression de vapeur. Les résistances thermique et hygrique de la paroi sont identifiées. Le comportement en régime dynamique est caractérisé par l’amortissement et le déphasage de température et de pression de vapeur ainsi que par des bilans de flux. L’étude in-situ porte sur un bâtiment rénové en béton de chanvre situé en Normandie. Les résultats sont analysés en terme de confort thermique, de consommations énergétiques et de comportement hygrothermique de parois en béton de chanvre.

L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux composites isolants biosourcés à partir de coproduits de l'agriculture exploitables dans le secteur du bâtiment. Les travaux s'organisent en trois principales étapes : La première, au travers d'un travail de formulation et de caractérisation, vise à évaluer les propriétés mécaniques, thermiques et hygriques de composites biosourcés obtenus par agglomération de granulats végétaux avec différents types de liants biosourcés et minéraux. Plusieurs agro-ressources sont envisagées (paille de blé, colza, anas, chènevotte et rafles de maïs). Une solution associant des granulats de chènevotte avec un liant biosourcé thermodurcissable est sélectionnée. La suite des travaux se focalise sur la recherche d'un procédé de mise en forme adapté à la fabrication de panneaux rigides isolants réalisés à partir de la formulation du composite de chènevotte. La fabrication de panneaux composites est testée sur différents outillages disponibles en laboratoire ainsi que sur des outils industriels permettant de tester les différentes technologies existantes. La possibilité de fabriquer le panneau rigide isolant de chènevotte sur une ligne de production industrielle entièrement automatisée est démontrée. Enfin, de nouvelles solutions permettant d'améliorer la réaction au feu des panneaux composites sont testées ce qui permet d'identifier des solutions adaptées au composite étudié.

La prédiction des conditions thermiques confortables à l'intérieur d'une cabine de véhicule reste un défi en raison du comportement transitoire de cet environnement. Le développement des modèles d'écoulement reste toujours une préoccupation pour les chercheurs en raison de la géométrie complexe de la cabine et de la complexité du système de ventilation (débit, emplacement et géométrie des diffuseurs d'air). Le confort thermique a été largement étudié dans le bâtiment, alors que le confort thermique dans les véhicules est un sujet relativement nouveau, avec peu d'études qui y sont dédiées. La norme actuellement disponible destinée à l'évaluation de l'environnement thermique du véhicule, EN ISO 14505, propose des modèles d'évaluation des bâtiments, qui ne répondent pas aux exigences de l'évaluation de l'environnement cabine. Contrairement à l'environnement intérieur des bâtiments, le climat de la cabine de véhicule est dominé par des conditions transitoires thermiques: environnement thermique fortement non uniforme associé aux vitesses élevées de l'air localisé, des niveaux plus élevés d'humidité relative, le flux de chaleur solaire et le flux de chaleur radiatif des surfaces intérieures, l'intensité solaire et sa diffusion sur les différents types de matériaux et niches de surface de la cabine, les angles d'incidence du rayonnement solaire, etc. En l'absence de modèles d'évaluation adaptés à cet environnement, la littérature disponible est dispersée autour des articles traitant des conditions environnementales dans le véhicule susceptible d'affecter le confort thermique de l'homme ainsi que de celles concernant la réaction de l'homme et la perception de son interaction avec l'environnement. Dans ce contexte, nous avons décidé d'orienter le sujet de la thèse autour de la problématique complexe de l'environnement thermique de la cabine et de ses effets sur l'état thermique du conducteur et du passager. Le manuscrit présente des études numériques et expérimentales des effets de différentes grilles passives sur le confort thermique des passagers. Ainsi, les objectifs généraux du projet de recherche doctorale pourraient être résumés comme suit: approfondir les connaissances et comprendre les phénomènes thermiques qui se produisent dans l'environnement thermique de la cabine; développer un mannequin thermique avancé capable d'évaluer le confort thermique de la cabine; développer et valider un modèle numérique complexe afin de mieux comprendre les phénomènes complexes précédemment évoqués. Ces trois objectifs généraux visaient à soutenir l'objectif principal de la recherche doctorale, à savoir: l'amélioration de la sensation thermique des occupants du véhicule, par la mise en œuvre de diffuseurs d'air innovants. À cette fin, nous avons orienté nos recherches vers des diffuseurs à géométrie spéciale permettant des mécanismes de contrôle du débit et permettant d'améliorer le mélange entre l'alimentation en air par le système de ventilation et l'air ambiant dans la cabine. Au cours de la quête complexe, nous pourrions avoir l'opportunité de nous familiariser avec les phénomènes thermiques, afin d'analyser le rôle réel joué par les paramètres d'environnement transitoires, dans la perception du confort thermique et dans son estimation. Pendant toute cette quête, nous avons essayé de rester sur une ligne qui permettrait finalement de répondre à un ensemble de questions fondamentales, à savoir: dans quelle mesure ce type de paramètres peut affecter la perception du confort, ainsi que les conséquences d'une évaluation "incomplète" proposée par les modèles existants ? Dans ce contexte, comment la conception de la ventilation et de la climatisation est-elle affectée par l'utilisation des modèles actuels pour pré-évaluer le bon fonctionnement des systèmes CVC - en particulier pour les véhicules – et un environnement acceptable pour ses utilisateurs ?

Une thermofrigopompe (TFP) est une machine frigorifique qui produit du froid et de la chaleur utiles. L’objectif de ces travaux est de développer le concept de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement. Le dessalement est réalisé en utilisant la chaleur rejetée au condenseur de la TFP. La technique de dessalement retenue après étude bibliographique est l’AGMD (air gap membrane distillation) pour ses températures de fonctionnement compatibles avec la température de condensation des machines frigorifiques classiques. Ce procédé de distillation a été caractérisé grâce à une installation pilote pour diverses conditions de températures, de débits, d’épaisseurs d’air gap et de compositions de solutions. Une étude de longue durée associée à une observation au MEB a permis évaluer le niveau colmatage des membranes. Un modèle numérique a ensuite été développé à partir des premiers résultats expérimentaux. Des simulations ont permis de dégager des tendances de comportement d’une machine couplée TFPMD. Enfin, un prototype a été construit à partir d’un petit réfrigérateur et d’une cellule d’AGMD fabriquée par impression 3D. Les mesures expérimentales ont permis de valider le concept de TFPMD et d’obtenir de premiers résultats de performance prometteurs. La valorisation de l’énergie thermique perdue par les équipements frigorifiques pour effectuer du dessalement semble donc une solution intéressante au manque d'eau douce qui peut survenir dans de nombreuses régions de la planète.

La présente thèse visait à étudier et à améliorer par une démarche expérimentale et numérique, le système de ventilation à bord des cabines privées (Crew Quarters, CQ) du Node 2 de la Station Spatiale Internationale (ISS). Ce travail a été motivé par les incidents d'intoxication des astronautes au CO₂ à bord de l'ISS, rapportés par la NASA. L’absence de convection naturelle en microgravité conduit à une poche de CO₂ autour de la tête de l’astronaute issu de sa respiration, particulièrement gênante en périodes d’inactivité (sommeil) dans le CQ. Il s’avère ainsi que le système de ventilation mécanique général en place dans le CQ ne semble pas jouer effacement son rôle de renouvellement d’air. S’ajoute à ce problème, une nuisance acoustique liée aux ventilateurs, en particulier à haut débit de ventilation. La stratégie d’amélioration du système de ventilation proposée vise à simplifier le circuit actuel, en remplaçant les ventilateurs axiaux (désignée par solution AF) par des ventilateurs tangentiels (désignée par solution CFF) plus silencieux. Cette modification simple et de mise en œuvre aisée du circuit, permet de réduire la perte de charge et gagner de l’espace dans le CQ. Cette solution offre par ailleurs la possibilité d’enrichir à faible coût le système de ventilation générale par une ventilation personnalisée (PV). La PV disperse le CO₂ en zone de respiration et alimente la fonction respiratoire de l’astronaute par de l’air purifié. Le CQ a été simulé par une maquette expérimentale échelle 1 et son jumeau numérique sous FLUENT. La maquette expérimentale (sur terre) a permis la validation du jumeau numérique en tenant compte de l’effet de la gravité. Le modèle numérique ainsi validé, a permis l’optimisation du système de ventilation hors effet de gravité. L’astronaute simulé numériquement dans la cabine est muni d’une fonction respiratoire sinusoïdale avec génération de CO₂. Une première analyse numérique de l’accumulation du CO₂ dans le CQ occupé et non ventilé a été conduite avec et sans effet de gravité. Des mesures expérimentales sur des sujets humains dans la maquette expérimentale ont permis de valider la démarche. Les résultats ont prédit avec succès les niveaux d’accumulation de CO₂ et ont aidé à délimiter spatialement la zone de respiration (BZ de Breathing Zone) de l’occupant par une analyse FFT de la signature fréquentielle de la respiration sur le champ de vitesse. Il s’en est suivi une analyse du champ de l’écoulement de la ventilation générale de la cabine et autour de l’astronaute. Un modèle expérimental à échelle réduite transparent utilisant l’eau comme fluide de travail a permis un diagnostic fin du champ de vitesse par PIV. Ces champs de vitesses ont été utilisés pour valider les résultats numériques à pleine échelle aux mêmes nombres de Reynolds. Cette étape a permis de mettre en évidence l’incapacité du système de ventilation général à traiter la zone utile, à savoir, le BZ de l’astronaute. Pour y remédier, le circuit de ventilation général a été revisité. La comparaison numérique des solutions AF et CFF a révélé que même si les champs d'écoulement n'étaient pas significativement modifiés, le CFF offre une meilleure uniformité de l’écoulement au soufflage et de meilleures performances acoustiques avec une consommation d’énergie plus faible. La solution CFF proposée offre avant tout la possibilité de mettre en œuvre une solution de ventilation personnalisée PV pour un traitement localisé de l’accumulation du CO₂ dans le BZ. Sa mise en œuvre en position latérale par rapport à la tête de l’astronaute réduit la concentration de CO₂ de l’air inhalé.

Dans notre vie quotidienne, le transfert de la chaleur et de l’énergie constitue la base de nombreux processus industriels. L’épuisement progressif des énergies fossiles conduit à améliorer et optimiser les rendements de ces échanges par de nouveaux procédés. Pour cela, une idée d’améliorer la performance thermique des fluides dans les échangeurs de chaleur a été proposée pour réduire l’énergie consommée pour l’échange de chaleur. Cette idée est basée sur l’introduction des nanoparticules solides qui présentent des propriétés thermiques beaucoup plus importantes que les liquides caloporteurs dans ces derniers, en obtenant un nanofluide. Cette introduction a pour effet d’augmenter la conductivité thermique du fluide mais d’autre part provoque une augmentation défavorable de sa viscosité qui résulte en une augmentation de la puissance de pompage. Alors il faut faire un compromis entre la stabilité, la conductivité thermique et la viscosité des nanofluides. Dans cette étude, des nanofluides à base de graphène à quelques couches et un fluide commercial, Tyfocor® LS, ont été préparés dans la gamme de concentration massique 0,05-0,5% en utilisant trois surfactants différents. Une étude complète sur ces nanofluides est présentée, y compris la synthèse des feuillets de graphène, la préparation des nanofluides et l’étude de leur stabilité, ainsi que l’évaluation expérimentale de leurs propriétés thermophysiques en fonction de la concentration en graphène, du type de surfactant utilisé et de la température dans la gamme 283,15-323,15 K. Finalement, sur la base de ces résultats et par une approche qualitative, le potentiel applicatif des nanofluides dans des systèmes énergétiques est déterminé pour sélectionner le meilleur candidat. Les résultats ont montré une bonne amélioration de la performance thermique par rapport aux fluides de base dans la gamme de température testée et surtout le nanofluide de la série du surfactant Pluronic® P-123 de concentration massique 0,25%.

L'emboutissage est une technique de mise en forme des tôles métalliques. L'emboutissage est généralement suivi par un phénomène de retour élastique de la tôle emboutie. Le phénomène de retour élastique correspond à une modification de la géométrie de la tôle après enlèvement de la charge d'emboutissage. L'écrouissage du matériau est l'un des facteurs les plus importants qui influence ce phénomène. Dans cette thèse, l'écrouissage de différentes tôles dédiées à l'emboutissage a été étudié en utilisant la technique d'indentation instrumentée. Cette technique permet d'obtenir la loi d'écrouissage d'un matériau à partir de la mesure de l'évolution de l'enfoncement d'une bille dans le matériau testé en fonction de l'effort appliqué sur cette bille. Trois aspects essentiels de l'écrouissage ont été étudiés : La variation de la loi d'écrouissage dans l'épaisseur de la tôle, le niveau d'écrouissage atteint par la tôle après déformation plastique et le type d'écrouissage. Le test d'indentation instrumentée a permis de caractériser chacun de ces aspects influençant le retour élastique. Cet outil peut ainsi être utile dans une démarche d'amélioration de la prédiction du phénomène de retour élastique en emboutissage.

Les matériaux alcali-activés (AAM) sont souvent considérés par la communauté scientifique internationale comme une possible alternative à l’utilisation du ciment Portland (OPC) dans les matériaux de construction. Les principaux objectifs de cette thèse sont d'évaluer les propriétés physico-chimiques et mécaniques, ainsi que la durabilité de différents mortiers alcali-activés à base de laitiers de hauts fourneaux, de métakaolins et de leurs mélanges. L’étude des propriétés telles que le temps de prise, la porosité et l’absorption capillaire a permis de caractériser la structure porale des différents mortiers et ainsi souligner les différences de morphologie obtenues avec l’OPC et les AAM. L’incidence sur les performances de la nature de l’activateur alcalin associé au laitier est évaluée. L’intérêt de l’introduction de différents adjuvants susceptibles de modifier la prise, la porosité, l’absorption capillaire, la sorptivité,… ou d’ajouts intervenant comme régulateur de retrait (ajout de gypse) est discuté. L’analyse du retrait chimique et endogène indique une réponse bien spécifique pour le laitier activé et une forte interaction entre retrait endogène et retrait de dessiccation dans le cas des AAM à base de métakaolin. Dans tous les cas, les conditions de cure sont déterminantes. L’analyse de la durabilité des AAM repose sur des tests de carbonatation accélérée, de gel dégel et d’attaques acides et sulfatiques. La carbonatation rapide des AAM engendre une réduction limitée du pH. Les mortiers AAM sont plus sensibles au gel-dégel dans l’eau qu’au gel dans l’air et dégel dans l’eau. L’étude à l’attaque acide révèle différents mécanismes de dégradations des AAM en lien avec leur composition. Les AAM apparaissent plus résistants que l’OPC. Les résultats obtenus sur les AAM avec ajout de gypse ont permis également de conclure que la réaction sulfatique interne n’est pas préjudiciable dans une matrice AAM contenant une quantité de gypse limitée.

L’objectif de cette thèse est de coupler expérimentation et modélisation pour caractériser les propriétés hygriques des matériaux. L'étude considère à la fois des matériaux abiotiques (plâtre et béton cellulaire) et des matériaux biotiques (thermo-chanvre et terre-chanvre). Dans un premier temps, ces matériaux sont caractérisés selon les méthodes usuelles. L’isotherme de sorption est mesurée à partir de la norme EN NF 12571, en incluant des branches de désorption primaire. Ces isothermes sont modélisées avec les modèles de Van Gen Huchten et de Huang. La perméabilité à la valeur est déterminée selon la norme EN NF 12572 et la valeur tampon hygrique selon le protocole NORDTEST. L’étude de l’impact des conditions de mesure sur la valeur MBV montre que la vitesse d’air a un impact élevé pour les matériaux thermo-chanvre et terre-chanvre et un impact négligeable, voire nul, sur le plâtre et le béton cellulaire. Il s’agit d’autre part de développer une méthode inverse afin d’identifier les isothermes de sorption et la perméabilité à la vapeur en modélisant la cinétique de l’essai MBV. La méthode inverse développée, TMC_Id, repose sur l’association du code TMC (Transfert de Masse et de Chaleur) et du solveur lsqcurvefit de MATLAB. Le gain/la perte de masse lors de l'essai MBV est simulé sur TMC et l’identification des paramètres hygriques est réalisée en minimisant la différence entre les cinétiques simulées et expérimentales. La robustesse du code TMC_Id est évaluée à partir de données bibliographiques. L’application aux matériaux étudiés est satisfaisante pour le béton cellulaire, le thermo-chanvre et le terre-chanvre. Pour le plâtre, la difficulté est associée à un faisceau de cinétique MBV ascendant.