Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet international (MARS) dont le but est d'améliorer l'efficacité du transport aérien par contrôle d'écoulement. Dans ce contexte, les travaux expérimentaux présentés ici sont focalisés sur l'utilisation d'un actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) pour contrôler l'écoulement turbulent en aval d'une marche descendante (BFS) à Reh = 30000. Deux types de décharges sont étudiés : une ac-DBD qui produit une force électrohydrodynamqiue et une ns-DBD qui produit une onde de pression. Plusieurs positions de l'actionneur sont étudiés, de façon à optimiser les effets de la décharge sur l'écoulement. A l'aide d'un système PIV stéréoscopique, une étude étendue est destinée à l'évaluation des paramètres électriques du signal. Parmi tous les résultats obtenus, la zone de recirculation est réduite de 20%. De plus, d'autres quantités moyennes telles que les composantes de Reynolds, l'énergie cinétique et l'épaisseur de la couche cisaillée ont été aussi analysées. La dernière partie de la thèse comprend une analyse dynamique des modifications produites par l'actionneur. Pour cela, les structures dominantes sont examinées par leur signature fréquentielle et par une décomposition orthogonal aux valeurs propres (POD). Tous les résultats conduisent à la définition d'un cas d'action optimal pour lequel il est obtenu une réduction maximal de la longueur de rattachement. Le lâcher tourbillonnaire est renforcé par un mécanisme de type "lock-on". / This thesis is part of an international project (MARS) to improve air transport efficiency by active flow control strategy. In this context, the presented experimental works are focused on a surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) as a solution to control the turbulent flow separation downstream a backward-facing step (BFS) at Reh = 30000. Two different plasma discharges are investigated: an ac-DBD resulting in a electrohydrodynamic force and a ns- DBD producing a pressure wave. Thanks to the versatility of plasma discharges and in order to optimize its effects on the flow, different locations of the DBD actuator have been investigated. Furthermore, an extended parametric study regarding the input variables of the discharge has been carried out by stereoscopic PIV. Among the obtained results, the mean reattachment length has been reduced up to 20%. In addition, other averaged quantities such as Reynolds stress components, the kinetic energy and the vorticity thickness of the separated shear layer have been analyzed to provide more extended information about the effects of the DBD actuator. The last part includes a dynamical analysis of the modifications produced by an optimal actuation. For that aim, the dominant structures are investigated by their signature in the frequency domain and by proper orthogonal decomposition (POD). All the results lead to the definition of an optimal actuation for which the mean reattachment position is reduced and the vortex shedding street can be reinforced by a lock-on control mechanism.

A l’heure actuelle, seuls des facteurs locaux, stationnels, sont considérés pour le calcul des risques liés au vent alors que le vent qui aborde un peuplement forestier est affecté par les surfaces sur lesquelles il vient de passer ; les lisières en particulier jouent un rôle important sur l’écoulement atmosphérique, en contribuant à générer de la turbulence. Dans un paysage fragmenté, constitué d’une mosaïque de surfaces de différentes hauteurs et rugosités, la multiplicité des lisières est ainsi susceptible d’avoir des effets cumulatifs perceptibles à l’échelle régionale, qui pourraient contribuer de manière significative à la fragilité des massifs face à des tempêtes. Certains niveaux de fragmentation semblent susceptibles de conduire à un accroissement des risques en cas de vent violent. Bien que la région de lisière a été étudiée de manière approfondie dans le passé en raison de leur importance pour la détermination des vitesses de vent, des niveaux de turbulence et des échanges entre l’atmosphère et la canopée, il n’y a aucune étude de l’impact de lisières multiples ou de la fragmentation des forêts sur les caractéristiques de la couche limite à l’échelle du paysage. Quelques rares études laissent penser que la fragmentation du paysage pourrait moduler de manière significative la structure turbulente de la couche limite atmosphérique mais ces études concernent des réseaux de brisevents plutôt qu’un ensemble de parcelles forestières. On cherche par conséquent à caractériser les champs de vent et de turbulence pour ces différentes configurations. Pour ce faire, une expérimentation en soufflerie à été réalisée, visant à caractériser l’écoulement sur des maquettes de paysage présentant cinq degrés de fragmentation (L = ~ 5, ~ 10, ~15, ~20, ~30h, où L est la distance entre deux patchs de forêts régulièrement espacés et h est la hauteur de la canopée). Un cas homogène a également été simulé et sert ici de référence. Pour le modèle de canopée choisi, ces expérimentations montrent que l’énergie cinétique turbulente présente dans la basse atmosphère ne passe pas par un maximum pour une valeur de l’espacement intermédiaire comme il était supposé à l’origine. Le cas homogène est la configuration la plus rugueuse. Pour de grands espacements l’influence d’une parcelle ne se fait guère sentir sur la suivante et lorsqu’ils sont faibles l’écoulement ne "ressent" guère les clairières et présente des caractéristiques semblables au cas homogène. Nous avons également évalué un modèle atmosphérique de type "simulation des grandes échelles" à l’aide des données présentées précédemment. Le modèle est capable de reproduire les grandes caractéristiques de la turbulence telles que les vitesses de vent horizontales et verticales, l’énergie cinétique turbulente, les contraintes de Reynolds et les coefficients d’asymétrie horizontale et verticale en tous points du domaine. Cela nous a permis de confirmer la validité des calculs numériques et de simuler l’écoulement sur une plus large gamme de paysages fragmentés. Les résultats démontrent l’importance de l’indice foliaire pour le calcul de la rugosité effective sur une succession de patchs de forêt. / At present only the characteristics of a forest stand and its immediate environment are taken into account in calculating forest wind risk. However, it is known that the wind is strongly affected by the surfaces over which it has previously flowed. Forest edges in particular play an important role in determining the characteristics of the atmospheric flow by generating increased turbulence, triggering the formation of coherent tree scale structures. In a fragmented landscape, consisting of surfaces of different heights and roughness, the multiplicity of edges may have cumulative effects at the regional scale leading to increased forest damage during storms. Flow changes in the atmospheric boundary-layer across surface roughness changes have received extensive study in the past because of their importance in determining velocities, turbulence levels and exchange between the atmosphere and biosphere or ground. There have also been a number of studies across single forest edges both in the field, wind-tunnels and computer models. However, there have been no studies of flow across multiple forest edges or the impact of forest fragmentation on the characteristics of the boundary-layer. The only studies on multiple surface changes have been wind-tunnel examination of the flow though and across multiple wind-breaks. In this thesis we show results from a series of wind tunnel experiments on a range of levels of forest fragmentation. Five gap spacings (L = ~ 5, ~ 10, ~15, ~20, ~30h, where L is the length of the gap and h is the canopy height) were investigated using 3D laser doppler velocimetry in order to assess the effects of fragmented landscapes on mean and turbulent wind characteristics. The fragmentation was two-dimensional with the transition between forest and gaps only being along the wind direction and the forest and gaps were continuous perpendicular to the wind direction. The wind speeds and turbulence characteristics are compared against measurements from a single forest edge in the wind tunnel, which acts as a reference. No enhancement of turbulence formation at a particular level of fragmentation was observed but there was a consistent pattern of wind speed and turbulence back from the first edge of each simulation with the horizontal velocity at tree top increasing and the turbulent kinetic energy decreasing as gap size increased. We also compare mean wind speeds (U and W) and turbulence characteristics (variance in u, v, and w; skewness in U, V, and W; Reynold’s stress, and TKE) at all points in the experimental measurement domain of the wind tunnel with Large Eddy Simulation (LES) results, which allows us to confirm the validity of the LES calculations and to conduct a wider range of experiments than was possible in the wind-tunnel. The results demonstrate the importance of the frontal area index or roughness density of elements (in this case trees) in determining the nature of the flow and the effective roughness of the overall surface. They also show that as the gaps between forest blocks increases the flow transitions (at a gap size between 10 to 15 tree heights) from flow comparable to that over a continuous forest to flow across a set of isolated forest blocks.

Les gaines rectangulaires utilisées dans les réseaux de transport de gaz, notamment dans l'industrie de l'aluminium, sont soumises à des excitations provenant du flux s'écoulant à l'intérieur. Ce travail de thèse vise à comprendre quels sont les phénomènes impliqués dans la vibration des gaines rectangulaires de transport de gaz. Dans un premier temps nous présentons un modèle semi-analytique de gaine rectangulaire homogène basé sur le couplage de 4 plaques. Cette modélisation nous permet ainsi de définir les caractéristiques modales de la gaine. Ce modèle a été validé expérimentalement et numériquement par un code élément-finis. Dans un second temps, nous appliquons diverses excitations aérodynamiques et aéroacoustiques à notre gaine afin de déterminer quelles sont les contributions prépondérantes. Les comparaisons entre les résultats numériques et expérimentaux dans le cas d'un écoulement en gaine droite montrent que les contributions aéroacoustiques sont prépondérantes. Les mêmes tendances ressortent lors d'essais dans des configurations en coude, sauf à proximité de celui-ci où les sources aérodynamiques sont également importantes. Pour finir, nous appliquons ces recherches à une gaine rectangulaire utilisées dans l'industrie de l'aluminium. Nous constatons que le modèle que nous avons développé permet d'obtenir des tendances sur la réponse vibratoire de la gaine et met de nouveau en avant l'importance des contributions de type aéroacoustiques. Des pistes de réduction des niveaux vibratoires sont explorées et notamment celles de l'impact des paramètres géométriques de la structure. / Rectangular duct used for gas transport ductwork, especially in the aluminium industry, are excited by the internal flow. This thesis seeks to understand what are the phenomena involved in the vibration of the gaz transport ductwork. Firstly, we present a semi-analytical model of a homogeneous rectangular duct based on the coupling of 4 plates. This modeling allow us to define the duct modal characteristics and is validated by using both experimental and numerical (FEM) ways. Secondly, we applied aeroacoustic and aerodynamic excitations to our duct in order to determine which are the main contributions. Comparisons between numerical and experimental results, in the case of a straight duct highlight that aeroacoustic sources are predominant. The same trends are found with a bend configuration with few changes close to the band where aerodynamic sources seems to be predominant also. Finally, we apply our model to a large rectangular duct used in the aluminium industry. We note that the model gives good trends and highlights again the importance of the aeroacoustic contributions. Some reflexions about how to reduce the vibration levels by changing geometrical parameters are given at the end.

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T07:47:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vergel_JoseLuisGomez_M.pdf: 8156840 bytes, checksum: f0b5d7b4b0875d4716285f8ec3ce5fa2 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O uso de malhas não estruturadas recentemente tem recebido uma considerável atenção para discretização do domínio computacional em simulações CFD (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales, et al., 2011). A malha não estruturada (comumente tetraédricas) permite uma adequada adaptação em geometrias irregulares e uma geração automática na maioria dos softwares comerciais em CFD. Na literatura constantemente tem sido sugerido que as malhas hexaédricas são preferidas as tetraédricas, porém esta última pode ser usada, desde que alguns cuidados sejam tomados para proporcionar uma boa representação do fenômeno físico do problema. Alguns trabalhos recentemente publicados mostram que as malhas tetraédricas quando utilizadas com cuidado, podem obter resultados satisfatórios (Spogis & Nunhez, 2009). A maioria dos trabalhos desenvolvidos com uso da simulação CFD para processos de mistura utilizam malha hexaédrica, enquanto os resultados obtidos com malhas tetraédricas não possuem a mesma aprovação (Joaquim Junior et al., 2007), parte deste trabalho esta focado em mostrar que elas podem fornecer bons resultados em simulações de processos de mistura. Outro objetivo desse trabalho é mostrar o efeito do refinamento em malhas tetraédricas. Investigou-se a influência dos elementos prismáticos perto da parede sobre parâmetros globais, tais como o número de potência e número de bombeamento. Foi também realizada uma análise inicial da sensibilidade de alguns modelos de turbulência e esquemas de discretização sobre o campo de fluxo produzido. Além disso, simulações com diferentes refinamentos de malha foram feitas usando a abordagem de múltiplos sistemas de referência (MFR); enquanto em outros casos foi proporcionada uma abordagem de malhas deslizantes (SG) no impelidor. Os esquemas de discretização foram limitados aos esquemas Upwind, High resolution e blend fator, uma vez que esquemas diferentes não funcionam adequadamente com elementos tetraédricos. O software comercial de CFD CFX 14.0 foi utilizado para simular os resultados. Um impelidor de pás inclinadas (PBT 45°, com bombeamento para baixo) foi simulado em regime turbulento. Os resultados obtidos pelas simulações CFD para o número de potência e bombeamento, e perfil da componente axial da velocidade são discutidos e comparados com dados experimentais (Machado et al. et al., 2011). A velocidade foi medida usando a técnica PIV (Particle Image Velocimetry). Uma significativa influencia foi observada em alguns parâmetros na determinação de importantes variáveis nos processos de mistura. De forma geral, a predição do perfil da velocidade é influenciada, de alguma forma, pela resolução da malha, pelo modelo de turbulência e pelo esquema de discretização / Abstract: The use of non-structured meshes has received recently considerable attention for discretization of the computational domain in CFD simulations (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales et al., 2011). The non-structured meshes (the most common are tetrahedral) allow adequate adaptation of irregular geometries and easy use of automated algorithms for mesh generation in most commercial CFD software. It has been consistently suggested in the literature that hexahedral meshes are preferred over tetrahedral. However, they can be used, provided that some care is taken to provide a good representation of the physical phenomena of the problem. Recently published works have been proving that if they are used with care, satisfactory results are obtained (Spogis & Nunhez, 2009). Most of works developed with the use of CFD simulation for mixing processes use hexahedral and to date tetrahedral do not have the same acceptance of hexahedral (Joaquim Junior et al., 2007) and part of this work is aimed at showing that they can provide good results when simulating mixing processes. Another objective of this work is to show the effect of mesh refinement in tetrahedral meshes. It is investigated the influence of the prismatic elements near wall on global parameters such as the Power and Flow numbers. An initial analysis of the sensitivity of some turbulence models (Standard k-? model, the shear stress transport (SST) and BSL-Reynolds stress model) and the discretization scheme on the flow field produced were also carried out in this work. In addition, simulations with different mesh resolutions were made using the multiple reference frame (MFR) approach; whereas other cases a sliding mesh modeling was provided for the impeller. The discretization schemes were limited to upwind, high resolution and blend factor, since other schemes do not work well with tetrahedral. The commercial CFD software CFX 14.0 was used to simulate the results. A pitched blade turbine (PBT 45°, down-pumping), was simulated in turbulent flow. The results obtained for the Power and Flow numbers, the axial velocity profile component of the model in CFD are discussed and compared with experimental data (Machado et al. et al., 2011). The velocity was measured using the PIV technique (Particle Image Velocimetry). A significant influence of some parameters is observed on the determination of some important variable mixing. In general, the predictions of the velocity profile are influenced in some way by the resolution of the mesh, turbulence model and the discretization scheme / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

<p>To fully realize the advantages of the two-fluid model, the interfacial area concentration (IAC) should be properly given by a constitutive model. The conventional flow-regime-based IAC correlations intrinsically cannot predict the dynamic flow structure change and would introduce a discontinuity and numerical instability to system codes. As a promising alternative, the interfacial area transport equation (IATE) is developed to model the interface structure mechanistically. Progress has been achieved for IATE modeling in bubbly, slug, and churn-turbulent flow during the past two decades. Aiming at a comprehensive flow structure predictor for all flow regimes, further development in two directions is highly desirable. First is extending the current experiment and modeling capability from churn-turbulent to annular flow. In this study, an advanced four-sensor droplet capable conductivity probe (DCCP-4) is developed to capture all interfaces in churn-turbulent and annular flow, including liquid film, liquid droplet, gas core, and gas bubble. A first of a kind experimental database in churn-turbulent, annular, and wispy annular flow with two-dimensional spatial distributions is established, which provides the experimental basis for the multi-field two-phase flow model development. The measured parameters include local time-averaged volume faction, IAC, and velocity for various fields of annular flow. In addition, a new constitutive model to quantify the interfacial area between the gas core and liquid film of annular flow is developed, which fills the last theoretical gap of interfacial area modeling. The other important direction is improving the current IATE model to fulfill the dynamic prediction of developing flow, especially the bubbly to slug transition flow. Vertical-upward air-water two-phase flow experiments are performed. The state-of-the-art IATE model is evaluated against the newly collected data at bubbly and slug flow, and the result shows unsatisfactory performance in predicting the developing flow with intensive bubble coalescence. A new bubble coalescence model is derived by using the log-normal bubble size distribution, which significantly improves the model prediction capability.</p>

The thesis deals with the description of the unstable flow of non-Newtonian fluid in a slit-flow rheometer, which negatively affects its behaviour. The initiators of unstable fluid flow are the roughness of the rheometer slit walls, the slip on the rheometer walls, and the influence of the inlet and outlet region geometry of the rheometer slit. The work contains methodical procedures for mathematical consideration of individual unstable fluid flow initiators and design of change of slit geometry of slit-flow rheometer. Part of the work is also a comparison of the most commonly used rheological models, derivation of general relations for the creation of the velocity profile of individual rheological models and their subsequent implementation in the rheological application, which significantly simplifies the process of evaluation of measured data when measured on slit-flow rheometer. This application can be used to determine basic parameters in CFD simulations or as a teaching aid.

Diplomová práca je zameraná na popísanie prúdenia tekutiny medzikruhovým potrubím. Tok tekutiny je skúmaný pri viacerých podmienkach, čo vedie k laminárnemu ale aj turbulentnému prúdeniu. Práca obsahuje rešeršnú časť, ktorá opisuje doteraz známe vzťahy popisujúce daný typ prúdenia a takisto skúma spôsoby merania rýchlostného profilu v medzikruhových medzerách. Nasledujúca časť obsahuje návrh výpočtového modelu, popis simulácií prúdenia pri konkrétnych podmienkach a ich vyhodnotenie. Výsledky zo simulačnej časti sú použité pri popise charakteristických vlastností turbulentného prúdenia v medzikruží. Tieto charakteristiky sú použité v ďalšej časti práce, ktorá je cielená na získanie analytického vzťahu, ktorý by popisoval časovo stredovaný rýchlostný profil turbulentného prúdenia v medzikruhovej medzere.

This thesis deals with ways to suppress turbulent flow in pipelines. In the first part various methods of laminarization are presented, when the turbulent flow is transformed into laminar flow, including the results of experiments published by the authors. The next part presents the results from CFD. The calculations were performed for one of the methods mentioned in the first part and the results were compared with each other. In addition, several options have been suggested to improve the original method.

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139 / Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139

La formulation de nouvelles nuances d’aciers présentant des caractéristiques mécaniques équivalentes pour des épaisseurs moindres et la plus-value associée à la possibilité d'assembler deux nuances différentes, nécessitent le développement et la maîtrise des procédés d’assemblage. Grâce à sa haute précision et à sa flexibilité, le procédé de soudage par laser est devenu une des principales techniques pour le raboutage des flans d'aciers de nature différente. La prédiction de la composition chimique locale de la zone fondue formée entre deux aciers en fonction des paramètres de soudage est de grande importance, puisque la dilution et la distribution des éléments d'alliage conditionnent la résistance mécanique finale du cordon. La présente étude a pour objectif la conception et la validation d’un modèle numérique multi-physiques décrivant la formation du mélange dans le cordon de soudure entre des aciers de nature différente, obtenu par fusion laser. Pour une meilleure compréhension du mélange issu de la diffusion et de la convection dans le bain liquide formé lors d'un soudage laser débouchant, une simulation 3D à l'aide du code de calcul commercial Comsol Multiphysics®, couplant les transferts thermiques, l’écoulement du métal liquide, et la diffusion des espèces, a été réalisée afin de prédire la géométrie du bain liquide et d'obtenir des informations sur la distribution des éléments chimiques à l'intérieur du cordon. Afin de réduire le temps de calcul, le modèle a été développé avec les hypothèses simplificatrices suivantes : le capillaire de vapeur a une géométrie fixe et l’ensemble des équations est résolu sous forme pseudo-stationnaire. Un modèle d’écoulement turbulent est utilisé pour le calcul du champ de vitesse. La loi de Fick est introduite pour modéliser le transport des espèces dans le bain liquide. Dans un premier temps et afin de valider les hypothèses sur les phénomènes de convection, une série d’essais de soudage avec des inserts de nickel pur, utilisés comme traceur chimique, a été réalisée pour cartographier post-mortem la distribution du nickel dans le cordon de soudure. Les résultats de la simulation numérique ont été trouvés en bon accord avec les résultats expérimentaux. Par la suite, le modèle a été appliqué au cas du soudage entre un acier Dual Phase et un acier TWIP riche en manganèse et enfin adapté à l'étude du mélange des revêtements dans le bain de métal liquide formé durant le soudage laser. / The design of new steel grades offering equivalent mechanical performances for lower thicknesses and the added value with the possibility to join two different steel grades, require development and control of joining processes. Thanks to high precision and good flexibility, the laser welding became one of the most used processes for joining of dissimilar welded blanks. The prediction of local chemical composition in the weld formed between dissimilar steels in function of the welding parameters is essential because the dilution rate and the distribution of alloying elements in the melted zone determine the final tensile strength of the weld. The goal of the present study is to create and to validate a multiphysical numerical model studying the mixing of dissimilar steels in laser weld pool. For a better understanding of materials mixing based on convection-diffusion process in the melted pool in case of full penetrated laser welding, a 3D simulation developed within COMSOL Multiphysics®, including heat transfer, fluid flow and transport of species has been performed to provide the weld geometry and quantitative mapping of elements distributions in the melted zone. In order to reduce computation time, the model has been developed basing on the following hypothesis: a steady keyhole approximation and solved in quasi-stationary form. Turbulent flow model was used to calculate velocity field. Fick law for diluted species was integrated to simulate the transport of alloying elements in the weld pool. In parallel, to validate the model, a number of experiments using pure Ni foils as tracers have been performed to obtain mapping post-mortem of Ni distribution in the melted zone. The results of simulations have been found in good agreement with experimental data. Afterwards the model was applied to laser welding between Dual Phase steel (DP) and high Mn steel (TWIP) and finally it was adapted to the study of coating dissolution in laser weld pool.