Ce travail de thèse part d’un constat : d’importantes pertes thermiques sont observées lors de l’élaboration des matériaux du génie civil. Motivés par l’ajout d’une double enveloppe, les travaux contenus dans ce manuscrit visent à caractériser un échangeur de chaleur appliqué en paroi des fours rotatifs. Tout d’abord, un modèle intégré est développé, puis validé sur une centrale d’enrobage dont la paroi intérieure du four est munie de releveurs nécessaires au mélange des matériaux. Leur distribution dans la section transversale est estimée à partir d’une loi de déchargement granulaire. Les expérimentations numériques montrent que les transferts Gaz / Solide et Solide / Paroi dominent, ce dernier phénomène limitant les performances globales du procédé. L’ajout de l’échangeur sur paroi mobile est quant à lui exploré sur un banc d’essai instrumenté de type rotor-stator, avec entrée tangentielle. Développant un écoulement de type Taylor-Couette-Poiseuille, les transferts thermiques pariétaux sont caractérisés expérimentalement. Les résultats sont sans équivoque dans la gamme de nombres de Reynolds imposés : la contribution du mouvement axial surpasse le mouvement rotationnel turbulent. Une corrélation adimensionnelle basée sur le nombre de Nusselt est proposée afin d’estimer numériquement l’effet de l’échangeur sur les profils de température internes dans le four. Enfin, les structures tourbillonnaires de l’écoulement dans l’espace annulaire sont étudiées à partir d’un code de mécanique des fluides numériques utilisant la Simulation aux Grandes Echelles. Les simulations permettent de décrire les cellules contrarotatives au sein de la couche limite turbulente dont l’amplitude et la fréquence de passages sont reliées aux paramètres de fonctionnement de l’échangeur (débit axial et vitesse de rotation du four). / This work results on a finding: the heat loss from rotary kiln represents a significant energy amount during materials processing in civil engineering domain. Motivated by traditional energy recovery methods from heat exchanger, this thesis is aimed at providing their rigorous thermodynamic diagnostics. Firstly, a thermal-granular model is developed, and then validated in asphalt plant whose the rotary kiln is composed of flights to ensure the materials mixing. Their cross-section distribution is calculated from a granular discharge law. The numerical experiments showed an increase of heat transfer phenomena between gases and solids, and those between the solids and the wall, this latter phenomenon limiting the process performances. Heat recovery exchanger applied to the rotary kiln is studied from a semi-industrial pilot based on a rotor stator configuration including a tangential inlet. Developing a Taylor-Couette-Poiseuille flow, the heat transfer results are undoubted in the range of the studied Reynolds numbers: the axial motion contribution is larger than the rotational turbulent motion. A dimension less criterion is proposed in order to be applied to the aforementioned integrated model including the heat exchanger applied to the rotary kiln, its effect being assessed upon the internal thermalprofiles. Finally, the vortices flow structure within the annular gap exchanger is studied from Large Eddy simulation. The amplitude and frequency passage of the contrarotatives cells located in the turbulent boundary layer are connected to the process parameters (the axial flowrate and the kiln shell rotation).

Extraction processes employing emulsion liquid membranes (ELMs), water-in-oil emulsions dispersed in aqueous phase, have been shown to be highly efficient in removing a variety of organic and inorganic contaminants from industrial wastewaters. As a result, they have been considered as alternative technologies to other more common separation processes such as pressure-driven membrane processes. Unfortunately, a widespread use of the ELM process has been limited due to the instability of emulsion globules against fluid shear. Breakup of emulsions and subsequent release of the internal receptor phase to the external donor phase would nullify the extraction process. Numerous studies have been, therefore, made in the past to enhance the stability of ELMs. Examples include adding more surfactants into the membrane phase and increasing the membrane viscosity. However, increased stability has been unfortunately accompanied by loss in extraction efficiency and rate in most reported attempts. The primary objective of this research is to apply the ELMs in a unique contacting device, a Taylor-Couette column, which provides a relatively low and uniform fluid shear that helps maintaining the stability of emulsion without compromising the extraction efficiency of a target compound. The ELM used in this study is made of membrane phase converted into non-Newtonian fluid by polymer addition, which provides additional uncommon remedy for the problem. This innovative ELM process was optimized to treat various types of simulated industrial wastewaters containing selected phenolic compounds and heavy metals. Experiments performed in this study suggested that the newly developed ELM process achieved exceptionally high overall removal efficiencies for the removal of these target compounds in relatively short contact time. Mechanistic predictive models were further developed and verified with the experimental data. Combined with the experimental data and novel mathematical predictive models, this study is expected to have a high impact on immediate practices of emulsion liquid membrane technologies in relevant industries.

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Cette thèse porte sur les effets combinés de l'excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l'écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l'écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d'instabilité. L'écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l'excentricité repousse le seuil d'instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L'effet de l'advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L'excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor " pseudo-toroïdaux " lorsque le débit axial est nul, et de structures " pseudo-hélicoïdales " d'ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l'on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l'instabilité absolue est étudiée par application d'un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d'inhiber fortement l'instabilité absolue, d'origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d'un ordre de grandeur. L'effet de l'excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l'instabilité convective, le mode dominant l'instabilité absolue correspond à l'écoulement tourbillonnaire " pseudo-toroïdal " pour toute la gamme de paramètres considérée.

EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes. / EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.

La matière molle se consacre à l'étude des propriétés de fluides complexes. Ces fluides diffèrent des fluides simples à cause de l'existence d'une microstructure qui provient de l'arrangement particulier des éléments mésoscopiques constitutifs du matériau (agrégats de particules de noir de carbone, enchevêtrements de polymères, micelles de molécules tensioactives). C'est le couplage entre microstructure et déformation qui confère aux fluides complexes des comportements singuliers et qui engendre des écoulements hétérogènes. Comprendre ces états hors-équilibre et les dynamiques associées présente un intérêt à la fois industriel et fondamental. La rhéologie en cellule de Taylor-Couette est une technique très répandue pour l'étude de la déformation et de l'écoulement de fluides complexes. Cependant, cette méthode n'est pas adaptée à l'étude des écoulements hétérogènes car elle ne fournit qu'une description globale de l'écoulement. Pour pallier ce problème, une technique de vélocimétrie ultrasonore à deux dimensions a été couplée à la rhéologie classique. Cette visualisation locale nous a permis d'étudier l'instabilité inertielle de Taylor-Couette dans les fluides newtoniens, les instabilités élastiques de fluides viscoélastiques (polymères et solutions micellaires), la fluidification de fluides à seuil (gels de noir de carbone, microgels de carbopol et émulsions) et enfin la rupture de gels de protéine soumis à une contrainte de cisaillement. Tous ces exemples montrent des coexistences entre différents états induits par l'écoulement et permettent de revisiter les approches rhéologiques à partir de caractérisations locales des champs de déformation et de vitesse. / Soft matter scientists are dedicated to studying the properties of complex fluids. Complex fluids differ from simple fluids in that they possess a microstructure resulting from the particular arrangement of mesoscopic elements which constitute the material (aggregates of carbon black particles, entangled polymers, micelles of surfactant molecules, etc.). Peculiar flow behaviors in complex fluids, such as heterogeneous flows, arise from the coupling between microstructure and flow. Understanding these non-equilibrium states and the associated dynamics is both of industrial and fundamental interest. Rheology in a Taylor-Couette cell is a wide-spread technique for investigating the deformation and flow of complex fluids. However, this method is mostly blind to heterogeneous flows as it only provides a global description of the flow. To overcome this problem, an ultrasonic imaging technique has been combined with classical rheology. This local visualisation has allowed us to study the inertial Taylor-Couette instability in Newtonian fluids, elastic instabilities in viscoelastic fluids (polymers and micellar solutions), the fluidisation of yield stress fluids (carbon black gels, carbopol microgels and emulsions) and finally the failure of protein gels under stress. In all these cases we evidence a coexistence between different flow-induced states and revisit global rheological approaches through local characterizations of deformation and velocity fields.

Ce travail est une étude expérimentale permettant de mettre en évidence la cartographie générale de l’ensemble des états d’écoulement obtenus entre le régime laminaire de Couette et la turbulence. L’ensemble des expériences a été réalisé dans un dispositif appelé système Taylor-Couette (STC), composé de deux cylindres concentriques avec le cylindre intérieur tournant. Ces différentes instabilités (SPI, TVF, WVF, MWVF, TTVF), qui dépendent principalement du nombre de Taylor (Ta), seront obtenues avec ou sans débit axial dans le STC selon des protocoles d’analyse bien définis et nous notons que le nombre de Reynolds axial (Reax) a un effet de stabilisation de l’écoulement. Les vortex de Taylor toroïdaux, ondulés ou ondulés modulés, ont été caractérisés en termes de gradient pariétal de vitesse, de nombre d’ondes, de longueur d’ondes axiales et azimutales, de la vitesse de déplacement axial, de fréquence et de la vitesse de révolution ; la polarographie sera utilisée comme technique de mesure. La vitesse du cylindre intérieur (Ta) est essentiellement le seul phénomène agissant sur l’évolution de ces paramètres. L’utilisation de la sonde tri-segmentée dans la caractérisation des structures tourbillonnaires a contribué à la compréhension des mécanismes d’interaction vortex-paroi et à la détermination des composantes azimutale et axiale du gradient pariétal de vitesse. / This work is an experimental study to highlight general mapping of the set of states obtained from the Couette laminar flow to turbulence. All experiments were performed in a device called Taylor-Couette system (TCS) which consists of two concentric cylinders with the inner cylinder rotating. The flow regimes (SPI, TVF, WVF, MWVF, TTVF), which depend mainly on the Taylor number (Ta), were obtained with or without axial flow in the TCS according to well-defined experimental protocols. We noted that the axial Reynolds number (Reax) has astabilizing effect on the flow. Using electrodiffusion method and analysis of films, the toroidal Taylor vortices, wavy or wavy modulated flow, were characterized in terms of the wall velocity gradients, wave number, axial and azimuthal wavelength, the axial velocity of vortex displacement, and there frequencies. The Taylor number has substantial effect on the evolution of these parameters in the investigated range. The use of three-segment electrodiffusion has contributed to the understanding of the mechanisms of vortex-wall interaction and the determination of the azimuthal and axial components of the wall velocity gradient.

Magnetohydrodynamic instabilities are responsible for geo- and astrophysical phenomena such as reversals of the geomagnetic field, sunspots, solar flares, and accretion disk dynamics. Two particular types of these instabilities were experimentally investigated in rotating spherical and cylindrical apparatus using the eutectic alloy GaInSn as a working fluid. The spherical apparatus, Hydromagnetic Experiment with Differentially Gyrating sphEres HOlding GaInSn (HEDGEHOG), was used to investigate the magnetised spherical Couette (MSC) flow for a range of the imposed axial magnetic field corresponding to Hartmann numbers of 0 to 40 and for a Reynolds number of 1000. A wave with an azimuthal wavenumber of 2 was observed at a Hartmann number of 0, which changed its azimuthal wavenumber to 3 at Hartmann numbers of 5 and 10. For Hartmann numbers between 10 and 22.5, the experimental flow displayed no temporal dependence, since the MSC flow was in its base state. In the remainder of the investigated range of Hartmann numbers, rotating waves with azimuthal wavenumbers of 2, 3, and 4 manifested, with some dependence on whether the Hartmann numbers were fixed or continuously varied. For the magnetised Taylor-Couette (MTC) flow investigated using the Potsdam ROssendorf Magnetic InStability Experiment (PROMISE), thermal convection was found to influence the azimuthal magnetorotational instability (AMRI) in two major ways. Firstly, it reduced the critical Hartmann number required for the onset of AMRI. Secondly, it broke the symmetry of the AMRI travelling waves so that they either travelled upwards or downwards depending on the direction of the radial heat flux.

Ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement les mécanismes d'interaction entre les structures de la turbulence et une phase dispersée (gaz ou vapeur) dans une expérience de Taylor Couette avec rotation du cylindre intérieur. Cette étude a été réalisée pour des régimes d'écoulement correspondant aux régimes chaotique (Ta=780), faiblement turbulent (Ta=1000) et turbulent (Ta=4500). La phase dispersée sous forme de bulles, de tailles variées, a été introduite soit par ventilation par agitation de la surface libre, soit par injection associée à une mise en dépression de l'installation. L'intrusion de sondes optiques doubles a permis de caractériser l'arrangement de la phase dispersée (localisation des bulles dans l'entrefer) ainsi que le taux de vide, la taille et la vitesse des bulles. Afin de caractériser la dynamique de l'écoulement, des visualisations couplées à des mesures du champ de vitesse par vélocimétrie Laser Doppler ont été effectuées dans l'entrefer. Des comparaisons fines entre la dynamique du liquide en présence de bulles et celle obtenue en écoulement monophasique ont permis de mettre en évidence les interactions et les mécanismes de couplages ou d'échange entre la structure de l'écoulement et la phase dispersée. En ce qui concerne l'arrangement de la phase dispersée, les résultats ont montré que les bulles de taille millimétrique sont en partie capturées par les cellules de Taylor, une cellule sur deux et en partie localisées dans les zones de jet (outflow) près du cylindre intérieur. Les bulles sub-millimétriques sont essentiellement localisées en région de outflow près du cylindre intérieur mais de manière plus diffuse dans l'entrefer. En ce qui concerne les mécanismes d'interaction entre les bulles et la dynamique du champ de vitesse liquide, il a été montré que les bulles localisées au coeur des cellules contribuent à stabiliser l'écoulement par augmentation de la vorticité alors que les bulles localisées en proche paroi du cylindre intérieur (dans la zone de jet) contribuent à développer la turbulence par augmentation du cisaillement dépendant de la taille des bulles. On a observé globalement un gain d'énergie cinétique turbulente en écoulement diphasique de Taylor Couette principalement dû au travail de cisaillement.

La présente étude vise à comprendre les écoulements ainsi que les transferts de chaleur par convection dans une configuration représentative d’un moteur de traction automobile. La zone d’étude est constituée d’un stator extérieur lisse et fixe et d’un rotor intérieur tournant. Deux géométries de rotor ont été étudiées : un rotor cylindrique et un rotor encoché. Un écoulement axial est superposé à l’écoulement produit par la rotation. Pour le rotor lisse, des mesures ont été réalisées pour des valeurs du nombre de Reynolds axial de 2500 à 13900 et de rotation de 1250 à 4000. Pour le rotor encoché, le nombre de Reynolds axial varie également de 2500 à 13900 et le nombre de Reynolds de rotation de 5000 à 26000. Les mesures de vitesse réalisées par PIV au sein des encoches montrent un écoulement tourbillonnaire contrarotatif complexe. Dans la zone d’entrée, on peut noter une forte interaction entre l’écoulement des encoches et celui provenant des zones polaires. Les résultats thermiques obtenues par thermographie infrarouge sur le rotor encoché montrent que les transferts thermiques augmentent avec l’augmentation du nombre de Reynolds axial mais l’influence de la vitesse de rotation est plus complexe. Enfin, la comparaison des résultats thermiques entre rotors lisse et encoché, a permis de mieux comprendre l’effet des encoches sur le refroidissement global. / The present work aimed to experimentally study the flow and heat transfer in a configuration corresponding to the gap of an automotive electrical motor (a thin airlayer between the rotating (rotor) and stationary (stator) parts.) Two rotor geometries are studied: one cylindrical and the other one with four slots which reproduce a synchronous motor used in automotive traction. An axial flow is superimposed to the rotation flow thanks to a ventilation system. The two most important parameters are axial Reynolds number and rotational Reynolds number. Velocity measurements are performed by PIV and heat transfer by infrared thermography coupled with heated thin foils. A complex counter rotational vortex flow has been recorded in the slots. Moreover, this slot flow seems to interact with the pole flow in the inlet region. This interaction seems to disappear rapidly after entrance area. Heat transfer rate is 3D, with great differences between the two slots faces and the pole. Classically, heat transfer rate grows with increasing axial Reynolds number. The relation between heat transfer rate and rotation Reynolds number is more complex