Nous avons abordé dans ce travail deux aspects particuliers de la mécanique des fluides appliquées à la conception des matériels de lutte contre l’incendie. Le premier concerne la ventilation lors du traitement des compartiments. Nous avons montré qu’une grille alvéolaire, placée devant l’hélice du ventilateur, nous permet de façonner le jet et de lui donner une forme ovalisée. Cette forme est plus adéquate à l’entrant du compartiment et permet un gain important de la performance de ces ventilateurs. Le deuxième aspect de ce travail a été de concevoir un système de dosage d’émulseur dans un réseau d’eau sous pression. Nous avons pour cela défini un doseur de type venturi, équipé d’une ogive conique au niveau du col. Cette ogive, dont la position est définie par le rapport entre la pression d’entrée et la pression de sortie. Nous avons montré, à partir du théorème de Bernoulli, que ce système permet de maintenir une aspiration au niveau du col, quelle que soit la pression ou le débit le traversant. / In this work we have analysed two topics of fluid mechanics, applied to the design of fire fighting equipment. The first one is the performance of ventilation during the movement of air in a compartment that contains a fire. We have shown that specific blade angle designed within the gril and placed in front of the fan propeller, allows us to manipulate the jet of air giving it an oval shape. This shape is more efficient and allows a significant gain in the air movement performance within the compartment for these fans. The second aspect of this work was to define an emulsifier dosing system in a pressurized water system. We define a venturi dosing system with a movable cone piece. The position of this conical piece is Controlled by the pressure ratio between the inlet and the outlet. Based on Bernoulli's theorem, we have demontrated that this system maintains a level of suction at the Inlet regardless of the pressure or flow passing through it.

<p>      Rotating detonation combustion has been investigated since the 1960s and has gained much attention in the past decade due to its promise of pressure gain. In theory, the pressure gain can provide higher power output at inlet total temperatures similar to those of Brayton cycle engines, leading to increased efficiency and decreased engine size. However, complexities presented by detonative combustion have prevented it from becoming widely adopted, especially for turbomachinery applications. A rotating detonation combustor with a transonic or supersonic exhaust imposes rapid fluctuations in pressure, temperature, and flow angle at the inlet of the turbine. To account for these fluctuations, ad hoc turbine designs have been proposed over the last few years, including supersonic bladed and bladeless variants. Computational fluid dynamics simulations have shown that it is possible to extract a meaningful amount of work from these turbines, but dedicated experimental test rigs are needed to validate these designs at relevant conditions in long-duration tests.</p> <p>     Toward this goal, this thesis focuses on three research elements. The first element is the design of a cooled rotating detonation combustor with a downstream turbine that can operate for long durations. The cooled combustor is accomplished in a two-part procedure: (1) repurposing Purdue University’s Turbine-integrated High-pressure Optical Rotating detonation engine (THOR) and (2) designing a lightweight, gaseous film-cooled combustor shroud with ample configurations for pressure, temperature, and optical measurements.</p> <p>     The second element is the design of three supersonic turbines for use in RDEs: an axial-flow bladed turbine, an axial-flow bladeless turbine, and an axial-inflow/radial-outflow bladed turbine. Each turbine is designed for cold flow testing, and provisions for mounting the axial-flow bladed turbine downstream of the cooled combustor are proposed. Supplemental turbine hardware is also designed to provide precise and repeatable conditions for the turbine tests.</p> <p>     The third element is the construction of an energy absorption dynamometer to measure the power output of the different supersonic turbines. Four types of dynamometers are explored, including hydraulic brakes, electromagnetic brakes, electric generator brakes, and airbrakes. Although the literature declares the electromagnetic brake to be more accurate, the most cost-effective solution is to utilize the compressor side of a donated turbocharger. Combining all research elements yields a new test rig for this new class of supersonic turbines.</p>

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A three dimensional computational model of a full scale axial flow tidal turbine has been used to investigate the effects of a range of realistic environmental conditions on turbine performance. The model, which is based on the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, has been developed using the commercial flow solver ANSYS Fluent. A 1:30 scale tidal turbine is simulated in an open channel for comparison to existing experimental data. The rotor blades are directly resolved using a body-fitted, unstructured computational grid. Rotor motion is enabled through a sliding mesh interface between the rotor and the channel boundaries. Reasonably good agreement in thrust and power is observed. The computed performance curves are offset from the measured performance curves by a small increment in rotor speed. Subsequently, a full scale axial flow turbine is modelled in a variety of conditions representative of tidal channel flows. A parametric study is carried out to investigate the effects of flow shear, confinement and alignment on turbine performance, structural loading, and wake recovery. Mean power and thrust are found to be higher in sheared flow, relative to uniform flow of equivalent volumetric flow rate. Large fluctuations in blade thrust and torque occur in sheared flow as the blade passes through the high velocity freestream flow in the upper portion of the profile and the lower velocity flow near the channel bed. A stronger shear layer is formed around the upper portion of the wake in sheared flow, leading to enhanced wake mixing. Mean power and thrust are reduced when the turbine is simulated at a lower position in a sheared velocity profile. However, fluctuations in blade loading are increased due to the higher velocity gradient. The opposite effects are observed when the turbine operates at greater heights in sheared flow. Flow misalignment has a negative impact on mean rotor thrust and power, as well as on unsteady blade loading. Although the range of unsteady loading is not increased significantly, additional perturbations are introduced due to interactions between the blade and the nacelle. A deforming surface is introduced using the volume-of-fluid method. Linear wave theory is combined with the existing free surface model to develop an unsteady inflow boundary condition prescribing combined sheared flow and free surface waves. The relative effects of the sheared profile and wave-induced velocities on turbine loading are identified through frequency analysis. Rotor and blade load fluctuations are found to increase with wave height and wave length. In a separate study, the performance of bi-directional ducted tidal turbines is investigated through a parametric study of a range of duct profiles. A two dimensional axi-symmetric computational model is developed to compare the ducted geometries with an unducted device under consistent blockage conditions. The best-performing ducted device achieves a peak power coefficient of approximately 45% of that of the unducted device. Comparisons of streamtube area, velocity and pressure for the flow through the ducted device shows that the duct limits the pressure drop across the rotor and the mass flow through the rotor, resulting in lower device power.

Le bruit tonal d’interaction rotor-stator, généré par l’impact des sillages issus des pales d’un rotorsur la grille d’aubes d’un stator redresseur, contribue de manière déterminante au bruit d’origineaérodynamique des turbomachines axiales carénées, qui équipent une large part des systèmes de propulsionaéronautique et de conditionnement d’air. La prédiction du bruit par l’utilisation de simulationsnumériques demeure onéreuse, notamment dans les premières phases de conception lorsque de nombreusesconfigurations doivent être testées. Dans cette optique, l’approche analytique choisie dans cettethèse apporte une alternative tout à fait appropriée. Les modèles analytiques basés sur une fonctionde réponse aéroacoustique de profil isolé ne permettent pas de reproduire l’effet de grille engendrépar le nombre important d’aubes de stator. Inversement, de fortes approximations sont nécessairespour décliner les fonctions de réponse de grilles d’aubes existantes dans des configurations tridimensionnelles.Le formalisme proposé, basé sur la méthode de raccordement modal, permet d’introduiresimplement l’effet de grille dans une géométrie annulaire d’étage rotor-stator. Un modèle de réponse degrille rectilinéaire bidimensionnel est tout d’abord présenté pour la transmission d’ondes acoustiques àtravers le stator ainsi que pour la génération de bruit par l’impact de rafales hydrodynamiques. Dansce cadre, une analyse linéaire et non visqueuse est considérée, pour laquelle les modes acoustique ettourbillonnaire d’un gaz sont couplés par le biais des frontières rigides. Les perturbations de vitessesliées aux sillages sont modélisées comme des rafales convectées. Leur impact sur la grille de statorgénère des ondes acoustiques se propageant en amont, en aval ainsi que dans les espaces inter-aubesdu stator, vu comme un réseau périodique de guides d’ondes. Les sections de bords d’attaque et defuite des aubes sont considérées comme des interfaces sur lesquelles la continuité des fluctuations depression, de vitesse axiale et de vorticité est vérifiée. Un système d’équations est ainsi obtenu, puisrésolu par des projections sur les bases modales du conduit et des inversions matricielles. Le champacoustique rayonné est ainsi déterminé uniformément dans tout le domaine. Les résultats issus de cesmodélisations sont comparés à ceux des fonctions de réponse de grilles d’aubes rectilinéaires issues dela littérature, montrant un très bon accord avec les modèles basés sur la technique de Wiener-Hopf. Leformalisme est par la suite étendu aux grilles annulaires par l’ajout de fonctions de Bessel comme fonctionsde forme radiale exprimant les effets tridimensionnels. Finalement, une procédure est présentéepour rendre compte de l’hétérogénéité des aubes de stator, caractéristique des nouvelles architecturesde turbomachines. Cette méthodologie est basée sur l’emploi conjoint du principe du dipôle de bordd’attaque et de la fonction de réponse aéracoustique de la grille de stator à l’aide de la technique deraccordement modal. Le principe de dipôle de bord identifie le chargement instationnaire des aubesinduit par l’impact de rafales hydrodynamiques, calculé par le formalisme d’Amiet, avec la trace duchamp de pression acoustique produit par un dipôle placé au voisinage du bord de l’aube. Les prédictionsissues de ce modèle, appliqué dans un cadre bidimensionnel, sont ensuite comparées à des mesuresobtenues pendant la campagne d’essais du projet SEMAFOR. / The rotor-stator wake-interaction tonal noise, generated by the impingement of rotor wakes onoutlet guide vanes, plays a crucial role in the aerodynamic noise of axial-flow ducted fan stages. Thelatter are widely used in most aeronautic propulsion and air-conditioning systems. The noise predictionby means of numerical simulations remains expensive, especially at the preliminary design stage whennumerous configurations must be tested. In this respect, the analytical approach chosen in this thesisprovides a well suited alternative. The analytical modeling based on an isolated-airfoil response functioncan not reproduce the cascade effect introduced by the large number of stator vanes. Conversely, drasticapproximations are required to extend the current cascade response functions to three-dimensionalconfigurations. The proposed modeling based on the mode-matching technique simply introduces thecascade effect in an annular rotor-stator stage. A rectilinear cascade response function is firstly presentedto account for the acoustic transmission through the stator along with the wake-interaction noise.In this context, a linearized and non-viscous analysis is carried out, in which the acoustic and vorticalmodes of a gas are coupled at rigid physical boundaries. The velocity perturbations issued from thewakes are written as a sum of convected gusts. Their impingement on the cascade of vanes generatesacoustic waves propagating upstream, downstream of the cascade, as well as inside the inter-vane channelsof the stator, seen as a periodic array of bifurcated waveguides. The duct cross sections at theleading-edge and the trailing-edge of the vanes are seen as interfaces on which the continuity of thefluctuating pressure, axial velocity and vorticity is fulfilled. A system of linear equations is obtained,then solved by means of modal projections and matrix inversions. The acoustic field is then uniformlycalculated in the whole domain. Comparisons with rectilinear cascade response functions show a verygood agreement with predictions based on the Wiener-Hopf technique. The configuration of an annularcascade is addressed by introducing the Bessel functions as radial shape functions, expressing threedimensionaleffects. Finally, a procedure is presented to account for the heterogeneity of the statorvanes, typical of modern fan architectures. This approach is based on the combinaison of the leadingedgedipole principle and the cascade response function derived from the mode-matching technique.The edge-dipole principle identifies Amiet’s solution for the unsteady loading and the radiation of adipole approached very close to the edge of a half plane. The predictions provided by this modeling,applied in a two-dimensional configuration, are finaly compared to measurements performed in the testcampaign of the SEMAFOR project.

La chromatographie membranaire est une alternative à la chromatographie classique sur résine basée sur le transport convectif des solutés à travers une membrane microporeuse plutôt que par le transport diffusif des solutés dans les particules de résines. Cette technique présente les avantages de diminuer les phénomènes de diffusion, de réduire les temps de séjour et les pertes de charge, et de permettre la purification rapide de quantités importantes de molécules. La chromatographie membranaire connaît un fort succès commercial. Une gamme importante de membranes chromatographiques mettant en jeu différents mécanismes de rétention (échange d’ions, affinité, etc.) et différentes géométries (feuille, spirale, etc.) est actuellement commercialisée. Malgré ce succès, différents aspects relatifs à la chromatographie membranaire restent mal connus. Cette thèse de doctorat se propose de répondre à certaines questions relatives à cette technique / Membrane chromatography (MC) is an alternative to traditional resin packed columns chromatography. The solute mass transport in the membrane occurs in convective through-pores rather than in stagnant fluid inside the pores of the resins particles, which is limited by the slow diffusive transport. MC offers the main advantage of reducing diffusion phenomena, shorter residence time and lowered pressures drops, and thus, facilitates rapid purification of large quantities of molecules. A wide range of chromatographic membranes involving different molecules retention mechanisms (ion exchange, affinity, etc...) is now commercialized. Despite their success, the influence of the geometry of the membrane chromatography devices remains relatively unexplored from a theoretical point of view. This doctoral thesis is aimed to clarify some ambiguous points related to this technique

Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations. / This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.

Ce mémoire de thèse traite la problématique des émissions vibroacoustiques dès les premières phases de conception de machines électriques dans le but de mettre en œuvre des machines robustes, fiables et surtout efficientes répondant aux contraintes dans un large domaine d’applications et spécialement pour le véhicule électrique et hybride. Ce manuscrit ne s’intéresse pas seulement à l’identification et la mise en exergue de la problématique vibroacoustique mais surtout a apporté des solutions et des éléments de réponse à certaines contraintes. La problématique vibroacoustique étant trop vaste et trop complexe, ce travail de thèse se focalise sur les aspects vibroacoustiques d’origine électromagnétiques. Pour ce faire, les méthodes de réduction de bruit sont présentées mais seules les solutions de réduction passive sont évoquées. Ces solutions se basent sur le dimensionnement et la conception par optimisation de machines électriques performantes et moins bruyantes. Cela nous ramène au cœur de ce travail qui est le développement d’outils et de modèles multi-physique réunissant les critères de généricité, rapidité, précision et facilité de couplage. Dans ce cadre, plusieurs modèles électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques, et acoustiques sont présentés. Différentes stratégies de couplages et d’approches de modélisation sont investiguées. Des conclusions sont tirées à chaque fois en fonction des besoins pour le cas d’application. / This PhD thesis deals with the issue of vibroacoustic emissions from the first design phases of electrical machines in order to have robust, reliable and above all efficient machines that meet the constraints in a wide range of applications and especially electrical vehicles. This manuscript is not only interested in the identification and highlighting the vibroacoustic problem, but above all to brought solutions and response elements to certain constraints. Knowing that the vibroacoustic problem is too vast and complex, this thesis focuses on vibroacoustic aspects of electromagnetic origin. To do so, the methods of noise reduction are presented but only the passive reduction solutions are used. These solutions are based on the design and optimization of efficient and less noisy electrical machines. This brings us back to the core of this work, which is the development of tools and multi-physics models combining the criteria of genericity, speed, accuracy and simplicity of coupling. In this context, several electric, magnetic, mechanical, thermal and acoustic models are presented. Different coupling strategies and modeling approaches are investigated. Conclusions are drawn each time according to the needs for the application use case.