Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de la spirale turbulente, le régime de coexistence laminaire-turbulent en forme d'hélice observé dans l'écoulement de Taylor-Couette, l'écoulement cisaillé entre deux cylindres coaxiaux. A cette fin nous avons réalisé des écoulements de Couette aux dimensions inégalées. Nous montrons que la spirale turbulente est un motif de grande longueur d'onde devant l'écartement des cylindres et ne peut exister si le rapport d'aspect azimutal est inférieur à 50. Nous révélons pour la première fois, l'existence d'un régime équivalent, partageant les mêmes propriétés d'un point de vue qualitatif et quantitatif, dans l'écoulement de Couette plan, l'écoulement cisaillé entre deux parois planes circulant à vitesses égales mais opposées, pourvu que ses rapports d'aspect soient suffisamment grands. Ceci nous incite à considérer la spirale turbulente comme la manifestation propre à l'écoulement de Taylor-Couette d'un motif de coexistence laminaire-turbulent ordonné de grande longueur d'onde générique des écoulements cisaillés. Nous avons étudié son émergence à partir de l'écoulement turbulent et constaté que le motif apparaît progressivement suivant un scénario identique pour les deux écoulements. L'étude quantitative conduite dans l'écoulement de Taylor-Couette, montre qu'il apparaît comme le résultat d'une instabilité de l'écoulement turbulent homogène, la coexistence laminaire-turbulent étant obtenue loin du seuil lorsque l'amplitude des modulations est suffisamment forte pour qu'il y ait relaxation vers l'état laminaire dans les minima. Le motif apparaît via une bifurcation supercritique et un jeu d'équations de Ginzburg-Landau couplées à coefficients réels suffisent pour reproduire nos observations à condition d'y ajouter du bruit. La cohérence de cette démarche est confirmée par la détermination des coefficients et nous proposons un schéma global de la transition dans le cadre d'une dynamique potentielle en présence de bruit.

Depuis les travaux pionniers de Taylor (1923), la configuration de Taylor-Couette, constituée de deux cylindres coaxiaux pouvant tourner indépendamment l'un de l'autre, a été intensivement étudiée expérimentalement et numériquement. La plupart de ces études ont considéré le cas où le rapport d'aspect - défini comme le rapport entre la hauteur des cylindres et l'épaisseur de fluide dans l'entrefer du dispositif - est grand (supposé infini) ; elles ont également portée plus particulièrement sur la configuration où seul le cylindre interne est en rotation (configuration rotor-stator). La mise en rotation de la paroi externe complexifie la phénoménologie des structures tourbillonnaires, et la diminution du rapport d'aspect modifie le scénario de transition vers la turbulence. Ces cas, moins bien documentés, constituent l'objet de notre étude. L'outil d'investigation est une simulation numérique directe (DNS) tridimensionnelle de haute précision, basée sur une approximation spectrale de la solution. Ces méthodes, couplées à des algorithmes très efficaces, ont permis de réaliser des simulations lourdes sur supercalculateur NEC SX5. Des simulations avec parois en contrarotation ont permis la mise en évidence d'écoulements complexes de type " Wavy Vortex " ou " InterPenetrating Spirals ". La DNS a permis une analyse fine du comportement spatio-temporel des structures et des effets des parois terminales.

The research developed a UV Taylor Couette reactor for disinfecting milk as a model opaque fluid. The principal of the reactor was to generate laminar vortices to support efficient mixing and homogenous UV photon distribution. The UV reactor parameters were optimized to generate laminar vortices that were stabilized by modification of the unit with baffles. A model was developed to predict the UV dose required to inactivate model microbes in milk. Through verification trials it was noted the predicted UV dose underestimated that required to support a 5 log cfu reduction of microbes. It was subsequently identified that the deviation from predicted values could be attributed to fat content that enhances the UV inactivation of microbes in milk with proteins providing protection to microbes. In conclusion, the UV Taylor Couette reactor has strong potential for disinfecting opaque fluids although matrix effects need to be considered when undertaking validation trials.

La résolution analytique du problème de la stabilité d'une suspension solide (particules rigides de forme sphérique) dans le système de Taylor-Couette cylindrique a été menée. On s'est basé sur les travaux de Ali and Lueptow (2002) pour formuler les équations régissant la stabilité de l'écoulement dans le cadre d'une théorie linéaire. Ces équations sont valables dans l'approximation du faible espace annulaire et ont pour but la prévision de l'instabilité primaire. A cet effet, nous avons utilisé une méthode variationnelle telle que la méthode de Galerkin pour résoudre le problème aux valeurs propres conduisant à établir le diagramme de stabilité liée au nombre d'onde au voisinage de l'état critique du développement de la première instabilité. Tout d'abord, on a cherché à mettre au point les calculs dans le cas de l'écoulement de Taylor-Couette classique en se référant aux travaux de Ali and Lueptow (2002). Ensuite on a procédé à la résolution systématique des équations du mouvement et l'on cherche à déterminer le critère d'apparition des instabilités en présence de particules en suspension et l'on détermine simultanément les paramètres de couplage entre forces d'interaction liquide-solide. L'ensemble des travaux ainsi réalisés permettront de lever la contradiction fondamentale entre la théorie et l'expérience. L'étude expérimentale a permis d'analyser les effets de la concentration des particules en suspension (disques) et du rapport d'aspect radial ' sur l'apparition des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Le dispositif expérimental utilisé est constitué d'un cylindre intérieur tournant et le cylindre extérieur est maintenu fixe. Le comportement rhéologique du fluide utilisé est viscoplastique obéissant au modèle de Herschel Bulkley. L'apparition des instabilités est examinée en utilisant une technique de visualisation. Pour une concentration donnée dans l'intervalle étudié, la nature des structures apparaissant dans le système d'écoulement dépend ', alors que pour une valeur donnée de ' dans l'intervalle étudié, la valeur du nombre de Taylor critique Tac dépend de la concentration des particules. Nous avons obtenu que le nombre de Taylor critique Tac correspondant au déclenchement de la première instabilité évolue non linéairement en fonction de '. De plus, nous avons examiné expérimentalement les effets de limitation axiale (effet de bords) sur le déclenchement des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Les résultats obtenus montrent que les bords tournants n'affectent pas le type de structures qui apparaissent dans le système d'écoulement de Taylor-Dean. Cependant, ils influencent le seuil critique d'apparition des instabilités qui est marquée par des valeurs élevées du nombre de Taylor critique pour des bords tournants ce qui indique un effet stabilisant des bords mobiles.

Cette thèse porte sur l’étude expérimentale de la réduction de traînée par injection de bulles. Le contexte de l’étude est lié à la propulsion navale. Les bulles peuvent, lorsqu’elles sont injectées dans la couche limite en développement le long des carènes de navires, contribuer à réduire significativement la résistance de frottement, en allégeant d’une part le fluide le long de la coque et d’autre part en interagissant avec les structures turbulentes de proche paroi. La configuration expérimentale retenue pour cette étude est l’écoulement de Taylor-Couette, avec cylindre extérieur fixe et injection de bulles calibrées. Nos investigations portent sur les régimes de transition, de turbulence naissante et turbulent avec persistance des cellules de Taylor (Re≤20.104). La taille des bulles varie avec le capillaire et le mélange utilisés, entre 0,05 et 0,12 fois la largeur de l’entrefer. Une méthode originale de suivi de la phase dispersée dans un plan méridien, couplée à des mesures de couple global appliqué au cylindre intérieur ont permis de mettre en évidence deux régimes de réduction de traînée et plusieurs types d’arrangements des bulles, en fonction de leur taille et du nombre de Reynolds. Les bulles peuvent avoir une trajectoire glissante, oscillante, être capturées par les cellules de Taylor ou en proche paroi du cylindre intérieur dans les zones de jets sortants. La caractérisation par PIV des vitesses de la phase liquide en monophasique et diphasique a permis d’étudier les modifications induites par les bulles sur la phase liquide et de discuter des mécanismes impliqués dans la modification du couple global par la présence des bulles. Il ressort de cette étude que pour les nombres de Reynolds en deçà de la capture, les bulles contribuent à stabiliser l’écoulement en accord avec une réduction du couple visqueux pouvant atteindre -30% pour des taux de vide très faible (< 1%). Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la capture dans les cellules conduit à une réduction de la longueur d’onde axiale et une augmentation de la vorticité des cellules, associée à une augmentation des vitesses rms. Cette configuration est favorable à une augmentation du couple visqueux. A l’inverse, la capture des bulles dans le jet sortant conduit à une augmentation de la longueur d’onde axiale, associée à une diminution de la vorticité. Cette configuration est favorable à une réduction du couple visqueux, moins marquée qu’en absence de capture. / This work presents experimental study of drag reduction by injection of bubbles. Injection of bubbles into the developing boundary layer along the hulls of ships could help to reduce significantly the frictional resistance by lowering a fluid along the hull and interacting with the near-wall turbulent structures. We investigate the interactions between bubbles, the coherent motion and the viscous torque in a Taylor-Couette flow for outer cylinder at rest, while bubbles are injected constantly through a needle. The Reynolds number ranges up to Re≤20.104, for these values of the Reynolds number, Taylor vortices are persistent leading to an axial periodicity of the flow. Bubbles size varies between 0.05 and 0.12 times the width of the gap, depending on the needle and the liquid used. An original method for tracking bubbles in a meridian plane coupled with measures of overall torque applied to the inner cylinder helped to highlight two regimes of drag reduction and various types of arrangements of bubbles, depending on their size and Reynolds number. Bubbles could have a sliding motion, wavering, be captured by the Taylor cells or in the outflow areas near the inner cylinder. Characterization of the liquid velocity by PIV both in single phase and two-phase flow helped to study the modifications induced by the bubbles on the liquid phase and to discuss about the mechanisms involved in the changes induced by the bubbles in the overall torque. The study show that for the Reynolds number before the capture, bubbles could help to stabilize the flow in agreement to the reduction of the viscous torque up to -30% for lowest void fraction (<1%). For the Reynolds number after the capture, bubbles trapped by the Taylor cells lead to a reduction of the axial wavelength and increasing of the vorticity of the cells, associated to an increasing of the rms. This configuration leads to an increasing of the viscous torque. However, bubbles trapped in the outflow areas near the inner cylinder lead to an increasing of the axial wavelength, associated to a decreasing of the vorticity. The configuration supports a smaller reduction of the viscous torque than in the case without captured.

Implanter une machine électrique dans un véhicule hybride pose avant tout des problèmes d’encombrement. Sous-dimensionner la machine semble légitime compte tenu de l’usage qui en est fait sur véhicule. Par contre, cela suppose que les aspects thermiques soient pris en compte non seulement lors de l’utilisation, mais aussi lors de la conception de la machine. Le phénomène majeur limitant la densité de puissance massique des machines électriques est l’échauffement interne des bobines et des aimants. La modélisation thermique de la machine est complexe compte tenu de la diversité des sources de chaleur et de la coexistence de différents modes de transferts thermiques : conduction dans la matière, convection avec l’eau de refroidissement, conduction, convection et rayonnement dans l’entrefer. En termes de géométrie, si une première approche peut être réalisée en ne considérant que des flux de chaleur radiaux, la composante axiale doit nécessairement être prise en compte dès lors qu’on veut tenir compte aussi des extrémités de machine, et notamment de la chaleur produite par les roulements et les têtes de bobines. Ainsi pour pouvoir analyser pertinemment les transferts thermiques dans la machine, des méthodes numériques de type CFD ont été utilisées pour caractériser le transfert thermique par convection. La caractérisation des échanges thermiques par convection naturelle et forcée a été réalisée à l’intérieur d’une machine synchrone à aimants permanents internes (MAPI). Des relations empiriques ont été proposées afin de prendre en compte le couplage entre la thermique et l’aérodynamique dans les cavités des machines électriques totalement fermées. Afin de valider la pertinence des modèles numériques dans le cadre de ce travail, des mesures thermiques à l’aide des moyens d’essais de l’UTC ont été réalisées. Les résultats de cette étude sont utilisés pour construire des circuits thermiques équivalents qui prennent en compte les phénomènes thermiques complexes dans les machines électriques fermées utilisées dans les véhicules hybrides et électriques. Ces recommandations de conception permettront l’optimisation de l’effort investi pour le refroidissement de la machine électrique dans ses différentes phases de fonctionnement. / The integration of an electrical machine into modern hybrid vehicles is associated with new technical constraints such as the integrability into small volume without losing certainly in performance. Therefore, the development of compacter electrical machines is a well-founded argument for car manufacturers as well as electrical machine designers. On the other hand, this finding assumes that the thermal aspects are undertaken not only during the operation of the electrical machine, but also during the design process. The internal heat generated in different areas impacts strongly the power density and the magnet health which deeply reduce the electrical machine reliability. Heat transfer modeling inside electrical machines is a tricky task because of the strong coupling between the different physics governing their operations. Indeed, the generated losses spread inside the electrical machine through three heat transfer modes which are: conduction (heat diffusion), convection(heat transport) and radiation (heat scattering). In terms of geometry, if a first approach can be carried out by considering only radial heat fluxes, the axially-transferred heat must be undertaken when it is also necessary to consider end caps effects, and particularly the heat released by the bearings. In order to carry out relevantly the thermal analysis of a permanent magnets synchronous machine, CFD based methods are used to characterize the convective heat transfer inside this machine over a large operating range. Both natural and forced convection are analyzed and the corresponding heat transfer coefficients are numerically-estimated. Empirical equations are proposed in order to take into account the coupling between thermal and fluid dynamics inside the cavities of the studied totally-enclosed machine. These correlations are integrated then into a detailed and reduced thermal network. Experimental tests are carried out using a test bench in order to measure temperature distribution in different areas of the electrical machine. Afterward, a comparison between estimated and measured temperatures shows that the results of the numerically-enhanced thermal network are in a good agreement with measurements. Thus, the proposed recommendations based on CFD modeling allow the convective heat transfer to be characterize quickly and precisely. These correlations are useful for upcoming studies dealing with convection inside automotive electrical machines as well as high speed electrical machines.

Cette thèse est une étude expérimentale sur mélange par des écoulements anisotropes turbulents en fluide stratifié. Il s'inscrit dans un projet sur l'étude globale de la structure de l'océan, principalement de sa couche supérieure. Le mélange est étudié en détail, à partir d'expériences réalisées en bicouche de densité dans un dispositif Taylor - Couette. En régime laminaire, le transport dans les zones initialement homogènes est moins intense que le flux de matière arrachée au niveau de l'interface. De multiples interfaces de densité apparaissent et leur action combinée contrôle les flux verticaux de densité. En régime turbulent, on trouve une relation entre flux et gradient de densité qui prédit un flux maximum pour des nombres de Richardson RIO d'environ 10. Un regain d'efficacité est observé pour les très grandes valeurs de RIO. Ces résultats vont dans le sens de la théorie de Balmforth (1998). Pour ces fortes valeurs de RIO, l'observation de l'écoulement par L.I.F., indique une activité intense des ondes et la présence de structures turbulentes de très petites échelles.

Outbreaks of food-born illness associated with the consumption of unpasteurized juice and apple cider have resulted in a rule published by the U.S. Food and Drug Administration (FDA) in order to improve the safety of juice products. The rule (21 CFR120) requires manufacturers of juice products to develop a Hazard Analysis and Critical Control Point (HACCP) plan and to achieve a 5-log reduction in the number of the most resistant pathogens. Ultraviolet (UV) disinfection is one of the promising methods to reach this 5-log reduction of pathogens. The absorption coefficients of juices typically vary from 10 to 40 1/cm and can be even higher depending on brand and processing conditions. Thin film reactors consisting of two concentric cylinders are suitable for inactivating pathogens in juices. When the two concentric cylinders are fixed, the flow pattern in the gap can be laminar Poiseuille flow or turbulent flow depending on flow rates. If the inner cylinder is rotating, and the rotating speed of the inner cylinder exceeds a certain value, the flow pattern can be either laminar or turbulent Taylor-Couette flow. UV disinfection between concentric cylinders in laminar Poiseuille flow, turbulent flow and both laminar and turbulent Taylor-Couette flow was investigated experimentally and numerically. This is the first systematic study done on UV disinfection between concentric cylinders in all three flow patterns. The present work provides new experimental data for pathogen inactivation in each of the three flow patterns. In addition, the present study constitutes the first systematic numerical CFD predictions of expected inactivation levels. Proper operating parameters and optimum gap widths for different flow patterns are suggested. It is concluded that laminar Poiseuille flow provides inferior (small) inactivation levels while laminar Taylor-Couette flow provides superior (large) inactivation levels. The relative inactivation levels are: laminar Poiseuille flow < turbulent flow < laminar Taylor-Couette flow.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la réduction de traînée par injection de bulles. Le contexte de l'étude est lié à la propulsion navale. Les bulles peuvent, lorsqu'elles sont injectées dans la couche limite en développement le long des carènes de navires, contribuer à réduire significativement la résistance de frottement, en allégeant d'une part le fluide le long de la coque et d'autre part en interagissant avec les structures turbulentes de proche paroi. La configuration expérimentale retenue pour cette étude est l'écoulement de Taylor-Couette, avec cylindre extérieur fixe et injection de bulles calibrées. Nos investigations portent sur les régimes de transition, de turbulence naissante et turbulent avec persistance des cellules de Taylor (Re=20000). La taille des bulles varie avec le capillaire et le mélange utilisés, entre 0,05 et 0,12 fois la largeur de l'entrefer. Une méthode originale de suivi de la phase dispersée dans un plan méridien, couplée à des mesures de couple global appliqué au cylindre intérieur ont permis de mettre en évidence deux régimes de réduction de traînée et plusieurs types d'arrangements des bulles, en fonction de leur taille et du nombre de Reynolds. Les bulles peuvent avoir une trajectoire glissante, oscillante, être capturées par les cellules de Taylor ou en proche paroi du cylindre intérieur dans les zones de jets sortants. La caractérisation par PIV des vitesses de la phase liquide en monophasique et diphasique a permis d'étudier les modifications induites par les bulles sur la phase liquide et de discuter des mécanismes impliqués dans la modification du couple global par la présence des bulles. Il ressort de cette étude que pour les nombres de Reynolds en deçà de la capture, les bulles contribuent à stabiliser l'écoulement en accord avec une réduction du couple visqueux pouvant atteindre -30% pour des taux de vide très faible (< 1%). Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la capture dans les cellules conduit à une réduction de la longueur d'onde axiale et une augmentation de la vorticité des cellules, associée à une augmentation des vitesses rms. Cette configuration est favorable à une augmentation du couple visqueux. A l'inverse, la capture des bulles dans le jet sortant conduit à une augmentation de la longueur d'onde axiale, associée à une diminution de la vorticité. Cette configuration est favorable à une réduction du couple visqueux, moins marquée qu'en absence de capture.

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.