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Flush-mounted cavity hot-wire probes have been around since two decades, but have typically not been applied as often compared to the traditional wall hot-wires mounted several wire diameters above the surface. While the latter suffer from heat conduction from the hot wire to the substrate in particular when used in air flows, the former is belived to significantly enhance the frequency response of the sensor. The recent work using a cavity hotwire by Gubian et al. (2019) came to the surprising conclusion that the magnitute of the fluctuating wall-shear stress τ+w,rms reaches an asymptotic value of 0.44 beyond the friction Reynolds number Re τ ∼ 600. In an effort to explain this result, which is at odds with the majority of the literature, the present work combines direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow with a cavity modelled using the immersed boundary method, as well as an experimental replication of the study of Gubian et al. in a turbulent boundary layer to explain how the contradicting results could have been obtained. It is shown that the measurements of the mentioned study can be replicated qualitatively as a result of measurement problems. We will present why cavity hot-wire probes should neither be used for quantitative nor qualitative measurements of wall-bounded flows, and that several experimental short-comings can interact to sometimes falsely yield seemingly correct results.

The longitudinal solute transport modeling is critical in river and stream water quality management, control, and the mitigation of hazardous riverine spills. One of the widely used "deadzone" model is the transient storage model (TSM). TSM is a significant improvement over the advection-dispersion model (ADM), but it cannot simulate the breakthrough curve (BTC) immediately after a large pool. Additionally, the calibration (parameterization) method is challenged by the non-identifiability which is common to all inverse modeling, and it seems TSM cannot be easily used as a predictive tool, more of an interpretive tool of solute transport, i.e., is the parameter set calibrated via inverse modeling transferable? Pools are fundamental stream morphology unit in streams with mixed bed materials in pool-riffle or pool-step sequences. Understanding of how a pool impacts the longitudinal solute transport is the first step towards improving current model such as TSM or developing new models. By introducing a dimensionless group, e= Q/(Dt W) (where, Q is the average volumetric flow rate; Dt is an average transverse dispersion coefficient; W is the channel flow width), derived from non-dimensionalization of the governing equations of one of the most rigorous 2-dimansional (2D) (depth-averaged) model, Mike21, this work presents an alternative way of longitudinal solute transport investigation. Using the 2D fully hydrodynamic Mike21, numerical experiments were conducted on hypothetical streams in this dissertation. Simulation study on hypothetical stream with pool reveals that a pool's effects on longitudinal solute transport are manifested by three aspects: boosting longitudinal spreading (concentration peak attenuation), causing a solute plume delay and increasing solute residence time. These effects fade like a "wake" as the solute plume moves downstream. e provides an insight into the physics of longitudinal transport; it outlines a relative transverse mixing intensity of a stream. The internal transport and mixing condition (including the secondary circulations) in a pool together with the pool's dimensions determine the pool's storage effects especially when e >>1. The BTCs downstream from a pool may be "heavy tailed" (i.e., have enormously slow decaying rate) which cannot be modeled by the TSM. Results also suggest that the falling limb of a BTC more accurately characterizes the pool's storage effects because the corresponding solute has more chance to sample the entire storage area. n a more fundamental perspective, the predictive ability of inverse modeling parameterized model is discussed and conclusion is made about the role of a stream/river system's nonlinearity in determining the predictability; a misleading mis-nomenclature in TSM application is also demonstrated with a numerical experiment. / Civil Engineering

No / Pressure variation during the coextrusion of two low density polyethylene melts was investigated. Melt streams were delivered to a die from two separate extruders to converge in a 30 degrees degrees geometry to form a two layer extrudate. Melt flow in the confluent region and die land to the die exit was observed through side windows of a visualisation cell. Stream velocity ratio was varied by control of extruder screw speeds. Layer thickness ratios producing wave type interfacial instability were quantified for each melt coextruded on itself and for the combined melts. Stream pressures and screw speeds were monitored and analysed. Wave type interfacial instability was present during the processing of the melts at specific, repeatable, stream layer ratios. Increased melt elasticity appeared to promote this type of instability. Analysis of process data indicates little correlation between perturbations in extruder screw speeds and stream pressures. The analysis did however show covariance between the individual stream pressure perturbations. Interestingly there was significant correlation even when interfacial instability was not present. We conclude that naturally occurring variation in extruder screw speeds do not perturb stream pressures and, more importantly, natural perturbations in stream pressures do not promote interfacial instability.

Yes / A dam break wave caused by the discontinuity in depth and velocity of a flow is resulted from instantaneous release a body of water from a channel and classified naturally as a rapidly varied unsteady flow. Due to its nature, it is hard to be accurately represented by analytical models. The aim of this study is to establish the modelling differences and complexity echelons between analytically simulated explicit laminar and turbulent dry bed dam break wave free surface profiles. An in-depth solution to the free surface profile has been provided and evaluated by representing the reported dam break flow measurements at various locations. The methodology adopted utilizes the free surface profile formulations presented by Chanson 1,2, which are developed using the method of characteristics. In order to validate the results of the presented analytical models in illustrating the dam break wave under dry bed conditions, published experimental data provided by Schoklitsch 3, Debiane 4 and Dressler 5 are used to compare and analyze the performance of the dam break waves under laminar and turbulent flow conditions.

Deux stratégies de contrôle ont été successivement mises en œuvre pour réduire la traînée et l’énergie cinétique turbulente d’un canal plan en régime turbulent (Re[tau]=180) par soufflage/aspiration aux parois. L’objectif principal était de prouver qu’une simulation aux grandes échelles (LES) pouvait être utilisée de manière pertinente comme modèle réduit des équations de Navier-Stokes et ainsi diminuer fortement les coûts numériques. Une approche heuristique dite de contrôle par opposition a d’abord été employée. Les résultats montrent que l'efficacité énergétique est maximale pour une position du plan de détection différente de celle qui correspond au maximum de réduction de traînée. Par ailleurs, nos résultats confirment que la réduction de traînée diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Par la suite, une procédure de contrôle optimal a été utilisée en considérant différentes fonctionnelles objectif (traînée, énergie cinétique au temps terminal, énergie cinétique moyen). Pour Re[tau]=100, le contrôle est parvenu à relaminariser complètement l’écoulement (réduction de traînée de l'ordre de 50 %) en prenant comme fonctionnelle coût l’énergie cinétique au temps terminal. Pour cette même fonctionnelle coût, une réduction importante de traînée de l'ordre de 55 % est encore obtenue à Re[tau] =180 mais sans atteindre la relaminarisation. Nos résultats confirment que pour minimiser la traînée de l’écoulement, il est plus efficace de considérer comme objectif l’énergie cinétique que directement la traînée. Enfin, il est essentiel pour la convergence de la minimisation que le système optimal soit résolu sur un horizon temporel suffisamment long / Two control strategies were successively implemented to reduce the drag and the turbulent kinetic energy of a plane channel flow in turbulent regime (Re[tau]=180). Wall transpiration (unsteady blowing/suction) with zero net mass flux is used as the control. The main objective was to prove that a large eddy simulation (LES) could be relevant as a reduced-order model of the Navier-Stokes equations and thus strongly reduce the numerical costs. A heuristic approach known as opposition control was initially employed. The results show that the energetic efficiency is maximum for a position of the detection plane different from that which corresponds to the maximum of drag reduction. In addition, our results confirm that the drag reduction decreases with the increase of the Reynolds number. Then, an optimal control procedure was used by considering different cost functional (drag, terminal turbulent kinetic energy, mean turbulent kinetic energy). At Re[tau] =100, control managed to fully relaminarize the flow (drag reduction of about 50%) by considering as cost functional the terminal kinetic energy. For this same cost functional, an important drag reduction of about 55% is still obtained at Re[tau] =180 but without reaching the relaminarization. Our results show that to minimize the flow drag, it is more effective to consider the kinetic energy as cost functional than directly the drag. Lastly, it is essential for the convergence of the minimization that the optimality system is solved on a sufficiently long time horizon

La perspective lagrangienne, décrivant un écoulement selon les trajectoires de traceurs fluides, est une approche naturelle pour étudier les phénomènes de dispersion dans les écoulements turbulents. En turbulence de paroi, le mouvement des traceurs est influencé par le cisaillement moyen et par une forte inhomogénéité et anisotropie en proche paroi. On étudie les propriétés lagrangiennes d’un écoulement de canal turbulent par simulation numérique directe à un nombre de Reynolds modéré. Les statistiques d’accélération lagrangienne sont comparées aux expériences de suivi de particules réalisées en parallèle à ce travail. Comme en turbulence homogène isotrope (THI), les composantes d’accélération le long des trajectoires lagrangiennes se décorrèlent sur des temps comparables aux plus petites échelles de l’écoulement, tandis que la norme de l’accélération reste corrélée plus longtemps. La persistance d’anisotropie à petite échelle loin de la paroi est constatée par l’existence d’une corrélation croisée non nulle entredeux composantes de l’accélération. On montre que, en conséquence des flux moyens d’énergie cinétique en turbulence de paroi, près des parois les traceurs se déplacent et s’étalent sur des plus grandes distances quand ils sont suivis en arrière dans le temps qu’en avant. La dispersion relative de paires de traceurs est aussi étudiée. Aux temps courts, la séparation des paires est balistique pour toutes les distances à la paroi. Comme en THI, les traceurs se séparent plus rapidement lorsqu’ils sont suivis en arrière dans le temps. Aux temps plus longs, le cisaillement moyen accélère la séparation dans la direction de l’écoulement moyen. Un modèle de cascade balistique initialement proposé pour la THI est adapté aux écoulements inhomogènes / The Lagrangian perspective, describing a flow from the trajectories of fluid tracers, isa natural framework for studying dispersion phenomena in turbulent flows. In wall-boundedturbulence, the motion of fluid tracers is affected by mean shear and by strong inhomogeneityand anisotropy near walls. We investigate the Lagrangian properties of a turbulent channel flowusing direct numerical simulations at a moderate Reynolds number. Lagrangian accelerationstatistics are compared to particle tracking experiments performed in parallel to this work. Asin homogeneous isotropic turbulence (HIT), the acceleration components along Lagrangianpaths decorrelate over time scales representative of the smallest scales of the flow, while theacceleration norm stays correlated for much longer. The persistence of small-scale anisotropy farfrom the wall is demonstrated in the form of a non-zero cross-correlation between accelerationcomponents. As a result of the average fluxes of kinetic energy in wall turbulence, tracers initiallylocated close to the wall travel and spread over longer distances when tracked backwardsin time than forwards. The relative dispersion of tracer pairs is finally investigated. At shorttimes, pair separation is ballistic for all wall distances. As in HIT, relative dispersion is timeasymmetric, with tracers separating faster when tracked backwards in time. At longer times,mean shear dominates leading to rapid separation in the mean flow direction. A ballisticcascade model previously proposed for HIT is adapted to inhomogeneous flows

L'hydroélectricité est la première des énergies renouvelables électriques. Sa production repose en partie sur des centrales au fil de l'eau dont les capacités de modulation sont encore faiblement exploitées. Les capacités d'ajustement des centrales hydrauliques sont d'autant plus essentielles aujourd'hui que la pénétration d'énergies intermittentes dans un mix énergétique décarboné est indispensable.Dans cette thèse, nous nous intéressons aux centrales au fil de l'eau turbinant le débit de cours d'eau aux marnages limités. Les enjeux de sûreté, notamment liés au multi-usage de l'eau, ainsi que la perspective de moduler les débits turbinés nous ont amenés à considérer le problème de la modélisation des écoulements dans les canaux reliant les centrales au fil de l'eau. Les équations de Saint-Venant sont les plus pertinentes pour ce type de modélisation. Nous avons proposé plusieurs approches à partir de ces dernières pour caractériser analytiquement la dynamique de l'écoulement à des variations de débits turbinés. Nous avons considéré la dynamique du système autour d'un régime fluvial stationnaire non-uniforme caractéristique des configurations hydroélectriques. La première approche est basée sur une approximation basses fréquences. La seconde approche est basée sur une méthode de réduction de modèle avec une paramétrisation selon le débit support. Une troisième approche est proposée en considérant explicitement la recherche d'une solution approximée des équations de Saint-Venant linéarisées autour d'une configuration hydroélectrique. Un critère spatio-fréquentiel est alors introduit, l'existence d'un biais en basses fréquences nous conduit à proposer un modèle d'ordre réduit dont la dynamique basses fréquences est imposée selon les résultats de la première approche. La solution exprimée sous forme de fonctions de transfert, comme pour les deux précédentes approches, met en évidence explicitement la présence de modes de résonance/anti-résonance. Finalement, nous illustrons les résultats vis à vis de simulations non-linéaires et de données réelles et proposons une régulation de niveau basée sur cette dernière approche. / New challenges arise from energy transition toward a more sustainable energy mix. Hydropower is already the main source of renewable electricity. In order to integrate a massive increase in generation of renewable intermitent energies, improving the flexibility of run-of-the-river hydropower plants becomes essential. In this thesis, we focus on run-of-the river power plants facing water level constraints. Safety issues, partly due to the multiple uses of water, and the opportunity to modulate turbined flow rates have led us to adress the problem of flow modelisation in open channels that connect run-of-the rivers facilities with each others. An accurate model is provided by the Saint-Venant equations. From these latters, we have proposed different approaches to characterize analytically the flow dynamics in response to turbined flow variations. The system dynamics have been considered around a subcritical stationary non-uniform regime typical of hydroelectric configuration. The first approach is based on a low frequency approximation. The second approach is based on a parametric model reduction technique. By seeking explicitly an approximate solution to the linearized Saint-Venant equations around an hydroelectric configuration, we have proposed a third approach. A space-frequency criterion is introduced, which shows a bias in low frequency. Results of the first approach are then used to propose a reduced order model asymptotically exact in low frequency. As for the two other approaches, the solution takes the shape of parametric transfer functions. Resonance/anti-resonance modes explicitly appear. Finally, comparisons with non-linear simulations taking into account actual real data are discussed and a water level controller is developed based on the last approach.

Flow modelling in a compound channel is a complex matter. Indeed, due to the smaller velocities in the floodplains than in the main channel, shear layers develop at the interfaces between these subsections, and the channel conveyance is affected by a momentum transfer corresponding to this shear layer, but also to possible geometrical changes in a non-prismatic reach. In this work, a one-dimensional approach, the Exchange Discharge Model (EDM), is proposed for such flows. The EDM accounts for the momentum transfer between channel subsections, estimated as proportional to the velocity gradient and to the discharges exchanged through the interface; where two main processes are identified : (1) the turbulent exchange, due to the shear-layer development; and (2) the geometrical transfer, due to cross-sectional changes. The EDM is successfully validated for discharge prediction, but also for water-profile computation, through comparison with existing laboratory and field measurements. The momentum transfer due to turbulent exchanges is then studied experimentally, theoretically and numerically. At first, new experimental data, obtained by using Particle Tracking Velocimetry techniques, are presented : the periodical vortex structures that develop in the shear layer are clearly identified and characterised. Secondly, a hydrodynamic linear stability analysis enables to predict quite successfully the wave length of some observed vortices. Lastly, an Unsteady-RANS numerical method is used to simulate the perturbation development. The estimated vortex wave lengths agree again with the measurements and the theoretical predictions, although vortices merging occurs in the simulation results, which was actually not observed experimentally. The velocity-profile prediction is found improved when the effect of vortices is considered, thanks to the corresponding additional shearing. The geometrical transfer is also investigated experimentally and numerically. Novel experiments are designed, with the measurements of the flow in a compound channel with symmetrically narrowing floodplains. The mass transfer and the evolution of the flow distribution along the channel length are clearly observed. A significant additional head loss due to this transfer is measured, in accordance with the EDM hypothesis. Measured water profiles are finally compared successfully with the EDM predictions. In addition to the EDM development and validation, the so-called Lateral Distribution Method (LDM) is also investigated and the significance of the secondary-currents models proposed by previous authors for this method is discussed. When considering the velocity-profile prediction, the effect of these helical secondary currents is again clearly highlighted, by using dispersion terms in the Saint-Venant equations. However, the actual physical meaning of the related dispersion coefficients remains uncertain. In addition, an extended LDM is also proposed and discussed for non-prismatic flow modelling, using the new narrowing-channel data set./La modélisation des écoulements dans les rivières à plaines inondables est particulièrement complexe. En effet, la vitesse de l'eau étant plus faible sur la plaine d'inondation que dans le lit mineur, une couche de cisaillement se développe à l'interface entre ces sous-sections. La débitance totale de la rivière est dés lors réduite, à cause du transfert de quantité de mouvement qu'occasionne la présence de la couche de cisaillement, mais aussi de part les changements de géométrie qui peuvent se produire dans un lit non-prismatique. La présente thèse propose, pour la représentation de tels écoulements, une nouvelle approche uni-dimensionnelle dénommée Modèle des Débits d'Echange ("Exchange Discharge Model" – EDM). Le transfert de quantité de mouvement entre les soussections de la rivière est pris en compte par l'EDM comme étant proportionnel au gradient de vitesse entre celles-ci et aux débits échangés à travers leur interface. A cette interface, deux phénomènes sont essentiellement présents : (1) un échange turbulent, dû au développement de la couche de cisaillement; et (2) un transfert géométrique, correspondant aux changements de section. L'EDM est validé avec succès pour la prédiction du débit et pour le calcul de lignes d'eau, par comparaison avec des données existantes de laboratoire et de terrain. Le transfert de quantité de mouvement dû à l'échange turbulent est ensuite étudié expérimentalement, théoriquement et numériquement. De nouvelles mesures sont obtenues, au moyen d'une technique de vélocimétrie par suivi de particules. Les structures périodiques qui se développent dans la couche de cisaillement sont clairement identifiées et caractérisées. Deuxièmement, une analyse linéaire de stabilité hydrodynamique permet de prédire théoriquement les longueurs d'onde de quelques tourbillons qui ont été observés expérimentalement, et ce avec succès. Enfin, un modèle numérique, de type "Unsteady-RANS", est utilisé pour simuler la croissance des tourbillons dans la couche de cisaillement. Encore une fois, les longueurs d'onde obtenues correspondent relativement bien avec les valeurs mesurées et prédites théoriquement; bien que les coalescences de tourbillons qui se produisent numériquement n'aient pas été observées expérimentalement. La prédiction des profils de vitesse est améliorée, lorsque l'effet des tourbillons est considéré, grâce à la contrainte de cisaillement additionnelle que ceux-ci génèrent. Les transferts géométriques sont également explorés expérimentalement et numériquement. Une nouvelle campagne expérimentale a été réalisée, en considérant l'écoulement dans un lit composé symétrique, dont les plaines d'inondation se rétrécissent progressivement. Le transfert de masse entre sous-sections et la redistribution des débits qui lui est associée sont clairement observés au long du canal. Une importante perte de charge additionnelle due à ce transfert est mesurée, en concordance avec les hypothèses de l'EDM. Finalement, les lignes d'eau mesurées sont reproduites avec succès par un calcul utilisant l'EDM. En complément au développement et à la validation de l'EDM, la "Lateral Distribution Method" (LDM) est également utilisée, avec pour objectif la clarification du rôle des termes de courants secondaires proposés par différents auteurs. Par rapport à la prédiction du profil de vitesse, l'effet de ces courants secondaires est très marqué. Il est ici reproduit en utilisant des termes de dispersion dans les équations de Saint-Venant. Cependant, le sens physique des valeurs des coefficients de dispersion qui doivent être utilisés est discutable. Par ailleurs, une LDM étendue, pour les écoulement en lits nonprismatiques, est proposée et commentée, en utilisant le nouveau jeu de données pour le canal convergent.

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