Modélisation et caractérisation multi-échelle des propriétés thermiques et microstructurales de milieux granulaires sous différentes atmosphères

Les milieux granulaires sont des matériaux étudiés dans de nombreux domaines tels que l'exploitation minière, l'impression 3D, le stockage de chaleur ou encore la sûreté nucléaire. La majorité de ces applications nécessite une bonne compréhension du comportement thermique de ces milieux, que ce soit pour des raisons d'optimisation de procédés ou de sécurité. Cependant, la prédiction des propriétés thermiques d'un milieu granulaire s'avère complexe. En effet, l'aspect multi-échelle et biphasique de ces milieux induit une compétition entre différents modes de transferts thermiques et de phénomènes physiques. Les propriétés thermiques du milieu sont intrinsèquement liées aux caractéristiques microstructurales ainsi qu'aux propriétés physiques des deux phases. Le transfert thermique dans la phase gazeuse au niveau des contacts entre les particules illustre parfaitement cette interdépendance. En fonction des dimensions, de la géométrie des pores et des conditions ambiantes (nature du gaz, pression, température), le transfert peut être catégorisé soit dans le régime moléculaire libre, soit dans celui de la conduction. Il est à noter que l'écart de conductivité à l'échelle du lit entre ces deux régimes peut atteindre jusqu'à deux ordres de grandeur. Afin de prendre en compte ces phénomènes, cette thèse propose une modélisation originale du transfert thermique au sein des milieux granulaires, en se basant sur la théorie de la percolation ainsi qu'une modélisation basée sur la conductance entre deux particules. L'étude se limite aux milieux granulaires où les effets de convection et de rayonnement peuvent être négligés. La modélisation est validée sur des données de la littérature mais aussi sur un ensemble de mesures sur des poudres que nous avons préalablement caractérisées. Un dispositif expérimental a été dimensionné et conçu durant cette thèse afin de mesurer la diffusivité thermique des milieux granulaires dans différentes conditions ambiantes (gaz et pressions variés).L'impact de la microstructure est étudié en distinguant les lits composés de particules denses (non cohésives), cohésives et poreuses (non cohésives). Les résultats observés sur ces échantillons, situés dans des conditions atmosphériques similaires confirment l'importance d'une description multi-échelle de la microstructure. Le modèle développé, basé sur la théorie de la percolation est comparé aux modèles existants et montre une capacité prédictive des mesures expérimentales meilleure que les modèles traditionnellement utilisés.L'influence des conditions ambiantes est également étudiée pour un large ensemble de mesures. Un modèle inspiré du modèle de Rombouts (2005) est développé et établit le lien entre la microstructure, les conditions ambiantes et la conductivité thermique des milieux granulaires. Ce modèle est théorique et ne nécessite aucun paramètre ajustable. Il permet de mettre en avant une corrélation entre le réseau de percolation défini par le seuil de percolation associé, et la conductance entre deux particules. Ces différentes descriptions confirment et justifient l'importance de la description multi-échelle proposée dans cette thèse