La prédiction des vibrations induites par un écoulement est essentielle dans la conception des conduits de nombreuses installations industrielles, en particulier dans l’industrie du gaz. Notre étude concerne la prévision du bruit et la vibration des conduits soumis à un écoulement turbulent à faible nombre de Mach. Notre objectif est de présenter une étude numérique et expérimentale permettant aux ingénieurs de mieux comprendre le couplage entre l’excitation aléatoire et le conduit pour deux géométries (circulaire ou rectangulaire). Une approche expérimentale est développée et utilisée pour valider les prévisions numériques. Deux cas sont étudiés : (i) un conduit droit sans singularité, où les modes acoustiques du conduit sont excités par une couche limite turbulente (TBL) et (ii) un conduit droit avec un diaphragme inséré en amont qui génère une source acoustique localisée. La contribution acoustique est déterminée soit par des méthodes de mesure d’interspectres, soit à l’aide des outils de mécanique des fluides numérique (CFD) et d’analogies aéroacoustiques. La réponse de la structure est estimée par une approche dite de « couplage faible » qui utilise des fonctions de transfert modale d’un conduit fini simplement appuyé. Les mesures conduiront à évaluer et suggérer des améliorations de modèles empiriques existants de densité interspectrale de puissance (CPSD) dans un contexte d’écoulements internes turbulents. Une analyse modale expérimentale d’un conduit rectangulaire finie est confrontée à des méthodes de calcul pour évaluer l’effet des conditions aux limites, du rayonnement acoustique et de l’amortissement aérodynamique. Le couplage fluide structure est analysé par la fonction de « joint acceptance » à la fois dans le domaine spatial et dans le domaine des nombres d’onde. L’excitation comprend à la fois les contributions acoustiques et hydrodynamiques à l’aide des CPSD exprimées sur la base des fonctions de cohérence de type Corcos, champ diffus et modes acoustiques d’ordre élevé. Enfin, les études numériques et expérimentales de cette thèse ont été utilisées pour développer un cadre d’étude et de modélisation du bruit et des vibrations dans les conduites, qui relie la dynamique des fluides, les modèles analytiques et empiriques à des techniques efficaces d’analyse aléatoire. / Pipeline and duct vibrations can cause a range of issues from unplanned shutdownsto decreased equipment life time. Thus, the prediction of flow-induced vibrations is essential in piping design in many industrial plants, especially, for Gas industry. This study deals with the prediction of pipe flow noise and vibration at low Mach number. We aim to present a numerical and experimental study which can offer engineers a better understanding of the coupling between random excitation and duct section for two geometries (circular or rectangular). An experimental facility and measurement approach is developed and used to validate numerical predictions. Two cases are investigated: (i) a straight duct with no singularity, duct acoustic modes are excited by the Turbulent Boundary Layer (TBL) and (ii) a straight duct with a diaphragm inserted upstream generating a localized acoustic source. The acoustic contribution is either measured via cross-spectra based methods or calculated using Computational Fluid Dynamics (CFD) and aeroacoustic analogies. The response of the structure is estimated via a ‘blocked’ approach using analytical modal Frequency Response Functions (FRFs) of a simply supported finite duct. Measurements will lead to evaluate and suggest improvements to existing Cross Power Spectral Density (CPSD) empirical models in a context of internal turbulent flows. Experimental modalanalysis of a finite rectangular duct are confronted to computational methods to assess the effect of the Boundary Conditions (BCs), the resistive damping from coupling with the internal acoustic medium and aerodynamic damping. The fluid-structure coupling is analyzed through the joint acceptance function both in the spatial and wave number domain. The excitation includes both the acoustic and hydrodynamic contributions using CPSD written on the basis of Corcos, Diffuse Acoustic Field (DAF) and acoustic duct mode coherence functions. Finally, the numerical and experimental studies in this thesis were used to develop a framework for studying and modelling pipe flow noise and vibration which links CFD, analytical and empirical models to efficient random analysis techniques.

Cette thèse étudie l'application de méthodes de parallélisation en temps pour la simulation numérique directe des écoulements turbulents. Après une étude préliminaire, on choisit de se focaliser sur l'algorithme Parareal avec grossissement spatial. Le comportement de l'algorithme est étudié en premier lieu sur l'équation d'advection, comme simplification des équations de Navier-Stokes, par une analyse de Fourier et une série d'expériences numériques, afin d'en cerner les mécanismes et paramètres dimensionnants. L'algorithme est ensuite étudié dans un contexte HPC, à l'aide du code de simulation massivement parallèle Hybrid. Deux situations d'écoulements turbulents tridimensionnels sont à l'étude: la décroissance d'une turbulence homogène isotrope et l'écoulement de canal turbulent. Ce travail propose une première mesure de l'efficacité de la parallélisation combinée espace-temps, ainsi qu'une évaluation précise de la capacité de l'algorithme à représenter les propriétés physiques de la turbulence. / This thesis aims at studying the application of time-parallel integration methods for the Direct Numerical Simulation of turbulent flows. After a preliminary study, we choose to focus on the Parareal algorithm with spatial coarsening. The behavior of the algorithm is first studied on the advection equation, as a simplified model for the Navier-Stokes equations, using a Fourier analysis and numerical experiments, to understand its mechanisms and identify the relevant parameters. The algorithm is then studied in a HPC context, using the massively parallel CFD simulation code Hybrid. Two tri-dimensional turbulent flow problems are investigated : the decay of an Homogeneous Isotropic Turbulence and the Turbulent Channel Flow. This work offers a first evaluation of combined space-time parallel efficiency, and analyse the algorithm’s abilities to correctly reproduce the physical properties of turbulence.

La fréquence de l’asthme augmente au Vietnam, mais les moyens de diagnostic et d’évaluation fonctionnelle sont limités. Une étude précédente utilisant la technique des oscillations forcées a montré une différence de résistance des voies aériennes entre enfants français et vietnamiens à l’âge de 10 ans mais pas à 6 ans. Si l’hypothèse d’une différence ethnique significative est correcte, alors des différences semblables devraient aussi exister à l’âge adulte. Pour tester l’hypothèse, une étude par pléthysmographie a été mise en place pour mesurer la résistance des voies aériennes et la résistance spécifique des voies aériennes chez de jeunes adultes sains en France et au Vietnam. Nous avons profité de l’étude pour établir des valeurs de référence pour les volumes pulmonaires dans ces populations. La résistance des voies aériennes est significativement plus grande chez les sujets vietnamiens que chez les caucasiens, mais il n’y a aucune différence de résistance spécifique des voies aériennes. Au final, l’étude ne montre pas de différence de calibre des voies aériennes normalisé pour le volume pulmonaire liée l’ethnie, à l’âge adulte. La taille debout est le facteur prédictif le plus important pour la capacité pulmonaire totale, tandis que l’ethnicité est un facteur important pour la capacité vitale et le rapport du volume résiduel à la capacité pulmonaire totale. Cette étude est la première qui fournit des valeurs de référence pour la résistance des voies aériennes, la résistance spécifique des voies aériennes et les volumes pulmonaires par pléthysmographie chez l’adulte vietnamien. La pléthysmographie a été validée à Hanoi et l’étude a permis la formation d’un nouveau groupe de travail sur le diagnostic et la prise en charge de l’asthme au Vietnam / Despite the increasing prevalence of asthma in Viet Nam, the country has limited means for respiratory function testing. A previous study using the forced oscillation technique suggested lower respiratory resistance between French and Vietnamese children at 10 years but not 6 years of age. If the hypothesis of a significant ethnic difference in airway caliber is correct, then similar differences should exist at adult age. To test the hypothesis, a plethysmographic study was set up to measure airway resistance and specific airway resistance in healthy young adults in France and Viet Nam. We took advantage of the study to provide reference values for lung volume in these populations. Airway resistance is significantly larger in Vietnamese than in Caucasians but there is no difference in specific airway resistance. Altogether the study does not support the consequence of a putative ethnic difference in childhood airway caliber on airway resistance normalized for lung volume at adult age. The standing height is the best predictor of the total lung capacity, while ethnicity is an important predictor of vital capacity and of the residual volume to total lung capacity ratio. This is the first study which provides reference values for airway resistance, specific airway resistance and lung volumes by plethysmography in healthy young Vietnamese adults. Plethysmography was validated in the north of Viet Nam, and the study allowed initiating a young working group on asthma diagnosis in Vietnam

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L’étude concerne l’analyse de l’encrassement dans un canal plan représentatif d’un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L’objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l’utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l’encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d’encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L’étude de la cinétique de l’encrassement permet de déterminer la loi de variation de l’épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L’apport du milieu poreux sur les performances de l’échangeur est analysé / A numerical study is carried out to investigate the forced convection heat transfer induced by a turbulent flow in a parallel plate channel partly filled with a porous or fibrous material. The study involves the analysis of fouling in a plate heat exchanger, represented by a parallel plate channel with a high fouling potential liquid flow in turbulent regime. The objective is to come out with a technical solution that relies on the use of fibrous materials capability to capture deposited particles, and therefore to reduce the fouling impacts within heat exchangers. This solution focuses on reducing the fouling resistance on wall surfaces by modifying the thermal properties of the deposit. The deposit thickness evolution is obtained through a kinetics model of fouling, which is coupled to the conservation equations. An effective thermal conduction model (liquid, deposit, porous material) is selected in order to account for fouling within the porous matrix. The benefits of porous material on heat exchanger performance are analyzed

Une analyse critique de la modélisation des échanges thermiques des câbles d’énergie en galerie est réalisée, avec l’étude de facteurs d’influences propres aux modes de pose des câbles dans ces ouvrages. Les câbles, de plusieurs kilomètres, chauffent du fait du courant transmis dans leurs âmes. Ils sont alors refroidis par une convection forcée turbulente, dans l’axe des câbles, et échangent par rayonnement avec les parois. Pour étudier ce refroidissement, un banc d’essais expérimental a été conçu, en similitude de Reynolds, modélisant différents câbles soumis à un écoulement turbulent développé. Les résultats sont comparés et étayés par des simulations numériques 3D, développées sous l’outil OpenFOAM. Les études réalisées ont permis de mettre en évidence la mésestimation importante de l’échange convectif par la norme existante. Celle-ci propose un refroidissement qui se compose en réalité pour un tiers de l’effet de supports maintenant les câbles et d’un autre tiers d’un écoulement encore en début d’établissement. Le dernier tiers étant le refroidissement effectif des câbles. L’impact des groupements des câbles est aussi étudié, avec un résultat étonnant où un groupe de deux câbles en nappe est trouvé mieux refroidis qu’un seul, lorsque ceux-ci sont placés en proche paroi de la galerie. A l’issue des travaux, une unique loi de refroidissement conservative est proposée, permettant de modéliser tous les cas traités. Cette loi a un impact important sur l’intensité maximale admissible des câbles, qui est dégradée de 5% à 9% par rapport à précédemment pour un cas idéalisé. / A critical analysis of the thermal rating of power cables in tunnels is carried out, with the study of factors of influence specific to cable laying constrains. The heat generation in the cables, due to the transiting current, is dissipated by an axial turbulent forced convection and by radiation with the tunnel walls. To characterize this cooling, an experimental mock-up tunnel has been designed, modelling various cables in a fully-developed turbulent flow. The results are compared and bolstered by 3D numerical simulations, developed under the OpenFOAM code. The studies have highlighted an important underestimation of the convective exchange by the existing standard. Their cooling law is actually a sum of the effects of racks supporting the cables, for a third, and the effect of a flow still underdeveloped for another third. The last third being the actual cooling of the cables. The impact of groups configurations is also studied, with an astonishing result for groups of two cables, which are better cooled than a single cable case, when installed close to a wall. Following the analysis, a single conservative cooling law is proposed to model all studied cases. This law has a significant impact on the permissible current in the cables, which is downgraded from 5% to 9% from previous ratings.