Le stockage d'énergie est essentiel à la transition énergétique car il permet de découpler la production de l'énergie de sa consommation. Le stockage de chaleur thermocline en eau, utilisé dans les réseaux de chaleur à moyenne ou basse température, repose sur la stratification thermique dans une cuve. Les performances de ce type de stockage sont fortement liées à la bonne stratification du fluide qui peut être perturbée par l'injection et le soutirage du liquide, des aspects peu explorés dans la littérature.L'objectif de cette thèse est de modéliser un tel stockage de manière fiable pour analyser la distribution du fluide. En effet, le but est de mieux appréhender les phénomènes physiques gouvernant la thermocline pendant les cycles de fonctionnement et d'accroître ses performances énergétiques par un design ou un pilotage amélioré. Pour ce faire, des études numériques utilisant la CFD (Computational Fluid Dynamics) ont été réalisées et comparées à des données expérimentales disponibles dans la littérature et obtenues via une nouvelle section d'essais.Dans un premier temps, un modèle CFD a été développé basé sur un cas expérimental existant de la littérature. Dans un stockage thermocline en eau, il y a bien souvent coexistence entre une région laminaire dans la cuve et turbulente à proximité des distributeurs. Cette coexistence est un enjeu majeur de la modélisation car la plupart des modèles de turbulence ne sont pas capables de représenter fiablement la transition d'un écoulement turbulent vers laminaire. Pour ces travaux, une méthode statistique RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) est adoptée et le modèle k-omega-SST est sélectionnée car il permet de représenter les écoulements en proche paroi. Concernant la flottabilité, il existe deux méthodes pour considérer ses effets : utiliser une masse volumique variable dans l'ensemble des équations, ou constante sauf dans le terme de flottabilité . Cette dernière est connue sous le nom de l'approximation de Boussinesq mais n'est valable que sur une faible gamme de ΔT. La précision de l'approximation de Boussinesq a été remise en question et une approche au second ordre de ce modèle est employée. Celle-ci permet d'obtenir le même terme de flottabilité qu'un modèle à masse volumique variable mais avec un temps de calcul réduit de moitié. La comparaison avec des données expérimentales a permis de souligner l'impact de l'état initial en température (stockage stratifié ou homogène). Une étude exploratoire de l'impact d'une injection progressive selon une rampe en débit a montré son impact sur la réduction de l'épaisseur de la thermocline au moment de sa création.Dans une démarche de validation du modèle et de vérification des observations numériques, un nouveau dispositif expérimental a été conçu. Celui-ci mesure la température grâce à 300 thermocouples disposés dans la cuve et permet un contrôle précis des conditions opératoires. Des études en phase statiques pour évaluer les pertes thermiques ont été réalisées. Des études dynamiques ont permis de faire varier les paramètres opératoires pertinents : la vitesse de propagation axiale, l'écart de température, le dispositif de soutirage ou encore l'injection progressive. Pour ce système, les résultats montrent qu'il est possible d'obtenir une stratification à forte vitesse (> 2 mm/s) tant que le ΔT est suffisamment élevé.Enfin, l'écoulement dans la section d'essais a été étudié numériquement avec un modèle CFD actualisé. Les champs de variables ont montré que les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents, en particulier lors de la formation de la thermocline. Toutefois, un excès de diffusion lors de la propagation du gradient thermique à faible débit est notable. Pour tous les essais réalisés les écarts expérimentaux et numériques ont été quantifiés: à l'exception des conditions critiques, l'écart sur l'épaisseur de thermocline est de ±50% et se situe entre 0 et -10% pour le taux de restitution.