For measuring the diameter and velocity of gas bubbles, several non-intrusive planar optical measurement techniques have been further developed including backlighting, Interferometric Particle Imaging (also called ILIDS), Glare Point Velocimetry and Sizing, Glare Circles and Laser Marked Shadowgraphy. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Résumé : La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant. La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents. La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure. __________________________________________________________________________________ Abstract : A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them. The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different. The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.

Le but de cette étude est de faire le bilan des principales techniques de simulation mathématique des écoulements autour des corps et de mettre celles-ci sous des formes appropriées au calcul des écoulements autour des corps de révolution. Jusqu'à ces dernières années, on s'est limité au calcul des écoulements des fluides parfaits, bien que dès 1908, H, Blasius [1] eut déjà abordé le calcul des couches limites laminaires sur les corps de révolution.

Motivation Ce document synthétise un travail de quatre années relatif à l'étude des phénomènes dynamiques rencontrés dans une arme de petit calibre. Jusqu'à présent, des efforts ont été réalisés pour simuler des armes de gros calibre, avec plus ou moins de succès. L'adaptation directe de ces méthodes au petit calibre est, la plupart du temps, décevante car peu précise. De plus, le coût des essais en arme de petit calibre, relativement faible par rapport à des essais en armes de calibre plus important, a contribué au désintérêt des études dans ce domaine. Encore aujourd'hui, des fabriquants d'armes de renommée internationale ne disposent pas de modèles pour le petit calibre. Celui-ci a été, et reste encore aujourd'hui, le parent pauvre des simulations numériques en balistique intérieure. A l'heure actuelle, de nombreuses recherches sont entreprises dans le cadre des canons électriques ou électromagnétiques. Ces armes, qui représentent peut-être le futur de la balistique, ne sont encore qu'à un stade fort éloigné d'une utilisation effective et opérationnelle. La situation est donc assez paradoxale : les armes de petit calibre sont les plus utilisées (dans le cadre d'une utilisation militaire, sportive ou à des fins de tests) mais il n'existe, à proprement parler, que peu de modèles mathématiques permettant une simulation précise et rigoureuse. Dans ce contexte, ce travail va démontrer que des modèles de balistique intérieure peuvent être utilisés avec succès pour la simulation de tirs en armes de petit calibre. Une des originalités de ce travail consiste en l'utilisation d'un logiciel de CFD (Computational Fluid Dynamics} comme squelette d'un simulateur de la balistique intérieure, et à son application sur des armes de petit calibre. L'approche employée permet de dissocier les aspects "mécanique des fluides" et traitement de l'écoulement, des aspects purement balistiques. Nous nous attacherons donc à évaluer la capacité d'un code CFD à fonctionner dans l'environnement particulier de la simulation du "coup de canon". Plan du travail Cette thèse peut être subdivisée en quatre différentes parties. La première partie, plutôt générale, vise à situer le problème dans son contexte. Elle débute par une introduction rapide à la balistique, et s'attarde sur les buts de la balistique intérieure en mettant l'accent sur les particularités des armes de petit calibre, le cas échéant. La simulation sur ordinateur est un aspect important du problème qui doit nécessairement être mis en rapport avec des résultats réels. C'est pourquoi la chaîne de mesure utilisée classiquement en balistique, ainsi que les dispositifs expérimentaux employés pour obtenir des résultats de validation, sont brièvement présentés dans la deuxième partie. La troisième partie est axée sur les modèles. Nous présentons les principaux types de modèles que l'on peut retrouver en balistique intérieure. Les modèles à paramètres globaux et à paramètres locaux sont développés et nous formulons quelques remarques générales au sujet de l'état de l'art dans ce domaine, avant de nous interroger sur la problématique du choix d'un logiciel CFD adapté à l'utilisation visée. Nous présentons alors le logiciel choisi, et détaillons les modèles qu'il utilise pour tenir compte des particularités de la balistique intérieure. Le mouvement du projectile dans l'arme, la combustion et le traitement du problème diphasique sont notamment passés en revue et développés. Mobidic (Mobidic est l'acronyme de : MOdélisation Balistique Intérieure DIphasique Canon) est un logiciel français que nous avons obtenu vers la fin de cette étude. Ce logiciel est reconnu pour sa capacité à modéliser précisément les tirs en arme de moyen et gros calibre. Son fonctionnement et les modèles qu'il utilise sont exposés et comparés à notre implémentation. La quatrième et dernière partie n'est certainement pas la moins importante. Elle présente les résultats issus des tirs que nous avons réalisés et les différentes étapes de validation qui ont été menées à bien, depuis les tests de base jusqu'à la validation totale dans deux armes de petit calibre. Enfin, les conclusions, remarques et directions futures clôturent ce travail.

Cette thèse, qui s'inscrit dans le contexte du projet ANR DIB, vise à la simulation par méthode hybride (DDES) de l'écoulement turbulent autour d'une plaque épaisse (Re = 80000), à une confrontation détaillée du mouvement instationnaire prédit avec une base de données expérimentale, et à l'étude des mécanismes à l'origine des fluctuations de pression à la paroi. L'écoulement présente successivement un fort décollement associé à l^acher tourbillonnaire en forte interaction avec la paroi, un recollement moyen puis un lent rétablissement vers une couche limite développée. L'attention est portée sur la région en aval du recollement. Les caractéristiques moyennes et instationnaires de l'écoulement sont étudiées au moyen d'outils statistiques classiques, ainsi que d'analyses de type moyenne conditionnelle, POD, LSE et Extended POD, dans leur version multi-temps. Un bon accord calcul/expérience est obtenu, et l'évolution des structures de grande échelle en aval du recollement est bien reproduite par la simulation. L'analyse est ensuite prolongée, notamment en ce qui concerne la tridimensionnalité de l'écoulement, ainsi que l'étude des différentes contributions à la pression pariétale fluctuante (termes source linéaire et non linéaire). Les analyses de type LSE basées sur la pression mettent en évidence des structures de type rouleaux portant une faible énergie, alors qu'on obtient des structures de type \hairpin" quand celles-ci sont basées sur la vitesse. Un résultat important de l'étude des termes contribuant à la pression est la dominance du terme non-linéaire, qui explique la faible énergie portée par les structures estimées à partir de la pression par des outils linéaires.

Les problèmes aérothermiques typiquement rencontrés en ingénierie imposent un recours à des simulations numériques (CFD), qui, pour être réalistes, doivent nécessairement prendre en compte les phénomènes transitoires. L'emploi de modèles réduits ou de surfaces de réponse offre une alternative rapide et peu coûteuse à ces calculs exigeants en temps de calcul et en espace mémoire. L'objet de cette thèse est d'étoffer l'applicabilité de la méthode d'identification modale (MIM) dans le contexte de la mécanique des fluides. Il s'agit d'une méthode de réduction de modèle qui s'appuie sur la minimisation d'un écart entre les sorties d'un modèle de référence et celles d'un modèle réduit. Les paramètres du modèle réduit sont vus comme les variables d'un problème d'optimisation. Nous développons la méthode dans le cadre d'écoulements turbulents. L'écoulement autour d'un cylindre circulaire constitue le cas d'application principal de ces travaux. Il nous permet de tester nos méthodologies dans diverses configurations incompressibles : stationnaires, instationnaires, écoulements isothermes ou de convection forcée thermique. Ces modèles produisent des champs de vitesse, de température, des densités de flux de chaleur . . . Une autre application concerne un profil d'aile dans un écoulement sub à transsonique. Pour celle-ci, les sorties des modèles sont des coefficients de traînée et de portance, ainsi que des répartitions de coefficients de pression le long de la surface portante. Cet exemple nous permet de mettre en évidence l'impact de l'échantillonnage sur la construction du modèle.

Le procédé d’enduction grande vitesse d’un filament de carbure de silicium de type SCS-6 par du titane liquide constitue une voie d’élaboration innovante pour la réalisation de composites à matrice métallique. Cependant, un mauvais mouillage entre le filament et le titane liquide et la formation de perles de titane le long de ce filament au cours de l’enduction ne permettaient pas de maîtriser le procédé pour la réalisation des matériaux composites. Les travaux de la thèse ont donc consisté à identifier et comprendre l’ensemble des mécanismes entrant en jeu lors de l’enduction à grande vitesse. Une double approche numérique et expérimentale a été mise en place pour estimer les paramètres influents sur l’épaisseur de fluide emportée et sa stabilité en proposant une analyse paramétrique du phénomène physique grâce à l’étude d’enductions avec des liquides modèles. Cette analyse a ensuite été confrontée à une analyse physique et chimique d’enduction de filaments par un fluide métallique. Les différences et similitudes de ces analyses ont permis notamment grâce à des études de mouillage, à identifier les conditions pour lesquelles l’enduction d’un filament céramique de carbure de silicium par un alliage de titane seraient possibles. / High speed coating of SCS-6 silicon carbide fiber by liquid titanium is a new industrial process designed to manufacture metallic matrix composites at a lower cost. However, due to expected high speed in the coating process, a lack of reactivity is observed between liquid titanium and ceramic fiber. Because of these high speeds, large titanium drops are also formed on the coated fiber. The work presented in this doctoral thesis aimed to identify and understand the several mechanisms occurring in this high speed coating in order to propose an improvement of the industrial process.Both experimental and numerical studies are used to determine the parameters responsible of the coating and the ones of thickness stability. Standard coatings with model fluids were firstly studied to understand the physical phenomenon alone. The understandings of chemical influence in fiber coating and especially on wetting properties were done in a second time. Using the previous results, an optimization of titanium high speed coating on ceramic fiber is then described.

Les phénomènes de transport de matière ainsi que la cinétique des réactions chimiques sont des processus importants en électrochimie car ceux-ci contrôlent le courant mesuré. Dans ce contexte, nous nous intéressons à de simples réactions électrochimiques et à la classe des réactions de transfert couplés électrons-protons (PCET), jouant un rôle important dans les phénomènes biologiques et la conversion d’énergie. Ces réactions impliquent le transfert d’électron(s) et de proton(s) et sont représentées par un schéma carré. Alors que la cinétique de transfert d’électrons est largement étudiée, la cinétique de transfert de protons l’est plus rarement. Ces réactions sont en effet supposées être très rapides alors qu’il existe des situations où les réactions de protonation constituent l’étape limitante. La première partie de la thèse consiste à étudier la cinétique des réactions de protonation en tenant compte de la catalyse de Brönsted. Par le biais de simulations numériques, nous montrons que la catalyse augmente la réversibilité des voltampérogrammes cycliques, à des pH où le transfert couplé s’opère. Les prédictions numériques ont été comparées aux données expérimentales et les résultats sont encourageants car une même tendance est observée. L’accord quantitatif n’est cependant pas satisfaisant à ce stade. Les phénomènes de transport étant connus pour affecter les processus à l’électrode, la seconde partie de la thèse est consacrée à l’étude de l’influence de la convection. Nous commençons par présenter les différentes raisons qui peuvent expliquer les déviations expérimentales par rapport à la diffusion seule, comme la convection naturelle induite par des gradients de densité ou de tension superficielle. Nous présentons le concept de convection spontanée associé aux mouvements microscopiques de la solution. Bien que les fondements théoriques de la convection spontanée soient discutables, la théorie permet de reproduire les résultats d’un certain nombre d’expériences, souvent pratiquées en conditions non contrôlées. Ensuite, nous évaluons l’influence de la convection naturelle sur de simples réactions électrochimiques, avant de passer à l’étude des réactions PCET. Les simulations numériques nous ont permis de prévoir la déviation des chronoampérogrammes par rapport à une situation diffusive en fonction de la durée de l’expérience et de la contribution de chaque espèce à la densité de la solution. Pour une électrode située au bord supérieur, la production d’espèces plus denses amène une déviation du courant plus importante, dû au développement d’instabilités hydrodynamiques. La convection due aux gradients de densité est supposée être accentuée lorsque que les réactions électrochimiques sont couplées avec des réactions chimiques, ce qui est la définition même des PCET. Cependant, nous avons conclu à un impact négligeable de celles-ci, sauf pour de faibles valeurs de constantes cinétiques. Pour conclure, nous avons évalué d’une part l’impact de la convection due aux effets Marangoni et d’autre part son couplage à la convection induite par des gradients de densité. L’influence de ces mouvements convectifs sur le courant résultant dépend des propriétés des réactifs et des produits de la réaction, mais également de la présence d’une surface libre. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Understanding and predicting the consequences of dangerous phenomena linked to the industrial activity is critical to ensure the highest safety level possible. Explosions represent a high risk of fatalities and economic loss and even though the phenomenon is studied in the literature, accidents still occur.The explosion in air of a heterogeneous charge (i.e. an explosive charge surrounded or mixed with a gaseous, solid, or liquid pollutant) has various consequences. While the presence of buildings around the explosion will reduce considerably the impact of most of them, it will affect in more complex ways the propagation of the pressure released, also called bast wave, and the pollutant dispersion. Simplified models to characterize the blast propagation and the dispersion following an explosion are necessary tools for industries to access a first estimation of the risks related to their activities. However, the existing models do not take into account the effect of the urban environment.The global objective of the project is to improve the understanding of the blast propagation and the dispersion inside an urban environment by generating a quantitative database. In parallel to the project, simplified models are being developed by the Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) Gramat (center from the Direction des Applications Militaires (DAM)) and will be validated by the generated experimental database. To achieve this goal, experimental techniques are developed and applied to a controlled reduced-scale urban environment, and a CFD approach is used to facilitate the understanding of the blast experimental results. The challenges associated with the creation of a new experimental system led to innovative solutions in response to technical issues. The main originality of the project is the investigation of explosively driven dispersion under a controlled atmospheric boundary layer, which represents a novelty in the area from the author's knowledge. Existing experimental techniques have been extended and validated for the large dynamic ranges involved in the explosive dispersion. The research is separated into two parts: the investigation of the blast, and the investigation of the dispersion driven by an explosion, both inside an urban environment in a 1:200 reduced scale.In the first part, the blast propagation has been first investigated in free field to characterize the energy, the geometry, and the repeatability of each studied explosives. Then the blast has been studied inside four selected typical urban configurations. To help the understanding of the blast path, a numerical model has been developed in OpenFoam to simulate the propagation and a good overlap between the experimental and numerical results has been observed. The second part of the research focuses on the investigation of the explosively driven dispersion. Micro-sized talc particles have been added around the explosives to simulate the pollutant dispersion. Large-Scale Particle Image Velocimetry (LS-PIV) and Mie-Scattering techniques have been first investigated and validated on a supersonic jet. They have been thereafter applied to the explosively driven dispersion. Three atmospheric conditions, two masses of talc, and two diameters of powder have been investigated, both in free field and inside a T-junction.The experimental techniques used to characterize the explosion of a heterogeneous charge show promising results. They are powerful tools to investigate complex large-scale and large dynamic range flows. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished