Ce manuscrit d’habilitation synthétise des travaux portant sur la modélisation du transfert radiatif à l'aide de la simulation numérique. La première partie porte sur la modélisation des propriétés radiatives des milieux gazeux ou particulaires. Un modèle statistique à bande étroite hybride est établi pour prédire le rayonnement hors équilibre impactant les véhicules spatiaux lors des entrées atmosphériques. Par ailleurs, une méthodologie pour la modélisation de la rétrodiffusion d’agrégats fractals de suie pour les applications LIDAR est présentée. La deuxième partie étudie deux stratégies pour traiter la dépendance angulaire du champ de rayonnement dans les simulations de transfert radiatif : un algorithme adaptatif-cible utilisant une base angulaire d’ondelettes de Haar et un modèle d'ordre réduit angulaire basé sur une décomposition en modes propres orthogonaux. La troisième partie est consacrée à l'étude des interactions couplées entre le rayonnement thermique et la convection turbulente. Des simulations numériques directes couplées sont entreprises et analysées pour des mélanges air/H2O/CO2 dans des cellules cubiques de Rayleigh-Bénard. Un modèle de bas ordre est développé : il capture la dynamique à grande échelle de l’écoulement et les effets associés au rayonnement du gaz. Enfin, les interactions couplées convection-rayonnement dans des grottes peu profondes, cavités peu ventilées et humides sous la surface du sol, sont étudiées.