Activites de recherche et formation doctorale

0.2 : Activités de recherche depuis 1989

Comme pour tout « Responsable Scientifique » des Ecoles des Mines, quel que soit son statut (fonctionnaire enseignant, contractuel chercheur ou ingénieur de recherche ARMINES), les activités de recherche consistent en encadrement ou co-encadrement de doctorants, en études « personnelles » (avec appui contractuel en très grande majorité) et en gestion ou coordination interne et externe de projets de recherche.

L’intitulé général des travaux que j’ai menés depuis 1989 pourrait être résumé par : « Transferts thermiques dans les systèmes évoluant à température ambiante ». Il s’agit essentiellement de la thermique des enceintes habitables (bâtiment, habitacles automobiles), avec l’étude de divers systèmes énergétiques innovants permettant d’y maintenir des conditions de confort (générateurs et émetteurs de chauffage, y compris systèmes solaires ou de cogénération basés sur des piles à combustibles, procédés de rafraîchissement passif…), ainsi que la mise au point d’éléments d’enveloppe à performances énergétiques améliorées (parois et ouvrants).
La problématique de recherche dans ces domaines est de maintenir une ambiance thermique la plus « confortable possible », en consommant le moins possible d’énergie. Les besoins de recherche sont donc situés à 3 niveaux :

• 
  La caractérisation des ambiances thermiques, tant au niveau des variables physiques objectives que de la qualification subjective pour les occupants ;
  
• 
  L’optimisation de la conception des systèmes énergétiques actifs, tant au niveau de leur efficacité énergétique intrinsèque que de la souplesse et la robustesse de leurs systèmes de commande et régulation ;
  
• 
  Le traitement préventif de l’enveloppe de l’enceinte, pour mettre au point des solutions technologiques innovantes basées sur des matériaux ou des systèmes passifs.
  

Les caractéristiques communes des transferts thermiques dans ces domaines d’application sont principalement :

• 
  Des grands volumes aux géométries complexes, pour lesquels il paraît illusoire de vouloir traiter de façon globale les équations fondamentales de la convection (naturelle ou forcée) qui régissent les mouvements d’air dans ce type d’enceinte, (nombres de RAYLEIGH très largement supérieurs à 10¹⁰) ;
  
• 
  Un ordre de grandeur semblable pour les transferts par convection et par rayonnement entre surfaces internes ;
  
• 
  Des phénomènes aux conditions aux limites toujours variables, et souvent difficilement prédictibles, et qui nécessitent un traitement en régime dynamique ;
  
• 
  Des phénomènes couplés à analyser sur de longues périodes, avec des expérimentations coûteuses ;
  
• 
  Une grille d’analyse qui passe par des critères non seulement physiques, mais statistiques, physiologiques, sociologiques et économiques.
  

La spécificité de ces caractéristiques montre toute l’importance de disposer d’outils numériques rapides, précis et performants pour analyser le comportement thermique d’une enceinte habitable en réponse :

- à des conditions aux limites naturelles (ensoleillement, météorologie) ;

- aux perturbations engendrées par l’activité humaine et les systèmes énergétiques.

Les outils mis au point dans le cadre de mes travaux de recherche, pour traiter l’ensemble de ces problèmes ont, dès le début des années 1990, été basés sur l’utilisation de solveurs algébro-différentiels, qui nécessitent donc de formuler les équations d’une manière spécifique. Ces outils, surtout utilisés pour les applications liées aux enceintes habitables, ont ensuite été adaptés pour répondre à d’autres besoins de recherche. L’ensemble de la démarche de modélisation est présenté dans le chapitre 1.
Au cours de ces 15 années de recherche, je me suis donc plus spécialement intéressé à la thermique des bâtiments et des habitacles automobiles.
Les recherches dans le domaine de la thermique des habitacles automobiles, qui ont toujours été menées en partenariat avec des groupes industriels, ont duré de 1990 à 1998. Elles ont tout d’abord porté sur le délicat problème des surchauffes en été, véhicule à l’arrêt, au soleil, puis ont été généralisées à l’amélioration du climat intérieur, quelle que soit la saison, en roulage ou à l’arrêt. Enfin, des questions plus spécifiques ont été abordées, comme la thermique de la planche de bord ou le confort thermique des sièges. Les différents outils numériques et expérimentaux mis en place dans le cadre de ces études sont présentés dans le chapitre 2.
En parallèle, de 1989 à maintenant, j’ai toujours eu une forte activité dans le domaine de la thermique des bâtiments. Cette activité a notamment porté sur la caractérisation des performances des différents types d’émetteurs de chaleur, sur la mise au point de suivis expérimentaux sur des habitations réelles équipées de procédés solaires participant au chauffage de l’eau sanitaire et de l’ambiance des locaux, aussi bien que sur l’optimisation du fonctionnement de piles à combustible pour la cogénération de chaleur et d’électricité….

L’ensemble de ces travaux, pour lesquels j’ai aussi eu d’importantes charges de coordination, car très souvent menés en partenariat, est présenté dans le chapitre 3.

Enfin, entre 1994 et 1998, à la suite de contacts avec d’autres partenaires du domaine automobile, j’ai participé activement à des programmes de recherche européens dans le cadre des modules de puissance basés sur l’utilisation de piles à combustibles. Bien que la plupart de ces travaux aient été menés sous le sceau de la confidentialité, j’exposerai au sein du chapitre 4 les principales démarches, les outils mis en place (basés, pour certains, là aussi sur les méthodes numériques développées pour la thermique des ambiances), ainsi que quelques résultats obtenus.

1 - Résolution des systèmes d’équations modélisant les transferts thermiques dans les enceintes habitées par solveurs algébro-différentiels