Cette thèse a pour cadre la modélisation du dépôt de particules dans le poumon humain afin d'optimiser l'administration de médicaments par voie inhalée. La région alvéolaire du poumon jouant un rôle physiologique et fonctionnel crucial, l'objectif de ce travail est de mettre en place un modèle de dépôt au sein de la région acinaire qui soit intégrable à un modèle intégrant le poumon complet. Les deux premiers chapitres rappellent les caractéristiques anatomiques et fonctionnelles du poumon et en particulier de la région alvéolaire ainsi que les principes physiques mis en jeu lors de l'écoulement de l'air et du transport de particules dans l'arbre pulmonaire. Puis un modèle numérique d'écoulement dans une géométrie alvéolaire simplifiée est présenté. Le transport d'un bolus d'aérosol y est étudié par une approche eulérienne, au cours de plusieurs cycles respiratoires ; l'impact des irréversibilités de l'écoulement sur la dispersion du bolus est ensuite quantifié. Le dernier chapitre présente l'intégration des résultats précédents au sein d'un modèle analytique de dépôt de particules dans le poumon. Les résultats générés par ce modèle sont ensuite comparés aux données expérimentales issues de la littérature ou obtenues lors d'une étude clinique en cours, spécifiquement orientée sur la mesure du dépôt de particules dans les voies aériennes. Les résultats du modèle montrent une augmentation du dépôt de particules dans la région acinaire, présentant un bon accord avec les données expérimentales. Ce modèle pourrait aider à la conception de thérapies ciblant spécifiquement la région alvéolaire du poumon / The context of this thesis is the modelling of particle deposition in the human lung in order to optimise the administration of inhaled drugs. As the alveolar region plays a crucial role both physiologically and functionally, especially for systemic delivery, the objective of this work is to set-up a particle deposition model specific to the acinar region which could be integrated in whole lung deposition model. The first two chapters concentrate on the anatomical and functional aspects of the lung and on the physical principles involved in the flow and particle transport mechanisms in the lung. Then a computational fluid dynamics model was setup in a simplified alveolar geometry. Aerosol bolus transport was studied through an Eulerian approach, for one or several breathing cycles. The impact of flow irreversibilities on bolus dispersion was quantified. The last chapter deals with the integration of the previous results in an analytical model of particle deposition in the whole lung. The results generated by this model are then compared to experimental data from the literature or obtained from an ongoing clinical trial. The results of the new theoretical model show an increase of particle deposition in the acinar region which improves correlation of theory with experimental data. This model could favourably help designing therapies targeting the alveolar region of the lung

This thesis describes the unstable dynamics of a gas jet impinging on a falling liquid film. This flow configuration is encountered in the jet wiping process, used in continuous coating applications such as the hot-dip galvanizing to control the thickness of a liquid coat on a moving substrate. The interaction between these flows generates a non-uniform coating layer, of great concern for the quality of industrial products, and results from a complex coupling between the interface instabilities of the liquid film and the confinement-driven instabilities of the impinging jet.Combining experimental and numerical methods, this thesis studied the dynamics of these flows on three simplified flow configurations, designed to isolate the key features of their respective instabilities and to provide complementary information on their mutual interaction. These configurations include the gas jet impingement on a falling liquid film perturbed with controlled flow rate pulsation, the gas jet impingement on a solid interface reproducing stable and unstable liquid film interfaces and a laboratory scaled model of the jet wiping process. Each of these configurations was reproduced on dedicated experimental set-up, instrumented for non-intrusive measurement techniques such as High-Speed Flow Visualization (HSFV) and Time-resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) for the gas jet flow analysis, Laser Induced Fluorescence (LIF) tracking of the liquid interface, and 3D Light Absorption (LAbs) measurement of the liquid film thickness. To optimize the performances of these measurement techniques, several advanced data processing routines were developed, including a novel image pre-processing method for background removal in PIV and a dynamic feature tracking for the automatic detection of the jet flow and the liquid film interface from HSFV, LIF, and PIV videos.To identify the flow structures driving the unstable response of the jet flow, a novel data-driven modal decomposition was developed. This decomposition, referred to as Multiscale Proper Orthogonal Decomposition (mPOD), was validated on synthetic, numerical and experimental test cases and allowed for better feature extraction than classical alternatives such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) or Dynamic Mode Decomposition (DMD).The experimental work on these laboratory models was complemented with the analysis of several numerical simulations, including a classical 2D Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) modeling of the gas jet impingement on a fixed interface, a 2D Variational Multiscale Simulation (VMS) with anisotropic mesh refinement of the gas jet impingement on a pulsing interface, and a 3D simulation of the jet wiping process combining Large Eddy Simulation (LES) on the gas side with Volume of Fluid (VOF) treatment of the liquid film flow. The experimental modal analysis on the dynamic response of the gas jet and the characterization of the pressure-velocity coupling in the numerical investigation allowed for a complete picture of the mechanism driving the jet oscillation and its possible impact on the liquid film.In parallel, several flow control strategies to prevent the jet oscillation were developed, tested numerically and experimentally in simplified conditions, and later implemented on the design of a new nozzle for the jet wiping process. This new nozzle was finally tested on a laboratory scale of the wiping process and its performances compared to single jet and multiple jet wiping configurations. In these three cases, the experimental work presents the modal analysis of the gas field using TR-PIV and mPOD, the liquid interface tracking via LIF, and the final coating thickness characterization via LAbs.The large spatiotemporally resolved experimental database allowed to give a detailed description of the jet wiping instability and to provide new insights on this fascinating fundamental and applied problem of fluid dynamics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

On s’intéresse aux équations stationnaires de Navier-Stokes linéarisées, il s'agit ici des équations d'Oseen et des équations de Stokes posées dans des domaines infinis, comme les domaines extérieurs, en dimension trois et l'espace tout entier. Le but est d'étudier l'existence de solutions généralisés et de solutions fortes dans un cadre général non nécessairement hilbertien. On s'intéresse aussi au cas des solutions très faibles. Dans ce travail, on considère aussi bien des conditions aux limites classiques de type Dirichlet que des conditions aux limites non standard portant sur certaines composantes du champ de vitesses, du tourbillon, voir du champ de pression. Les espaces de Sobolev classiques ne sont pas adaptés à l'étude de ces problèmes pour une telle géométrie. Pour une bonne analyse mathématique, nous avons choisi de travailler dans le cadre des espaces de Sobolev avec poids, ce qui permet en particulier de mieux contrôler le comportement à l'infini de la solution. / In this work, we study the linearized Navier-Stokes equations in an exterior domain or in the whole space at the steady state, that is, the Stokes equations and the Oseen equations. We give existence, uniqueness and regularity of solutions. The case of very weak solutions is also treated. We consider not only the Dirichlet boundary conditions but also the Non Standard boundary conditions, on some components of the velocity field, vorticity and also on the pressure. Since the domain is not bounded, the classical Sobolev spaces are not adequate. Therefore, a specific functional framework is necessary which also has to take into account the behaviour of the functions at infinity. Our approach rests on the use of weighted Sobolev spaces.

Ce travail est consacré à la modélisation des stries dans une couche limite laminaire et à l'étude de leur influence sur la transition. Dans une première partie, on présente une modélisation de ces structures longitudinales en utilisant les équations de Navier-Stokes paraboliques. La résolution numérique est basée sur des schémas de projection, de type Chorin-Temam, associés à des méthodes de discétisation spectrales. Ce modèle parabolique est appliqué au problème de réceptivité de la couche limite laminaire vis-à-vis de différentes perturbations extérieures. La dernière étape du processus de transition vers la turbulence est abordée par une étude de stabilité linéaire ainsi qu'une simulation numérique directe. Enfin on propose un modèle pragmatique pour reproduire la dynamique des stries et estimer le seuil de transition 'bypass'. Sur l'ensemble, on a cherché à comparer les résultats à différents travaux expérimentaux existants.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments en feu. Une synthèse bibliographique sur les feux de compartiment et plus particulièrement sur la problématique de la sortie de flammes par les ouvertures des locaux en feu a été réalisée. <br /><br />Un outil de simulation numérique avancé a été mis en oeuvre pour étudier les paramètres principaux affectant les caractéristiques des flammes extérieures. Cette tâche a nécessité au préalable la prise en main et le développement d'un modèle CFD de simulation numérique du feu, ainsi que sa validation sur des cas expérimentaux de complexité croissante. A l'étude numérique de la sortie de flammes d'un local en feu est venue s'ajouter une partie expérimentale concernant l'effet du vent sur les flammes extérieures. <br /><br />L'étude des flammes extérieures a permis de procéder à la vérification et à l'extension d'une méthode de calcul simplifiée destinée à prédire les conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments. L'application pratique de ce travail a consisté à regrouper dans un nouveau modèle global les résultats obtenus à partir de la synthèse bibliographique et des études numériques et expérimentales.

Etude physique des ondes longues. Origine du système de Saint Venant. Résolution numérique par une methode de différences finies dans le cas unidimensionnel et pour un domaine parabolique. Traitement numérique du cas bidimensionnel en utilisant une methode d'éléments finis pour les variables d'espace et de différences finies, pour la variable temps. Problème d'un fluide visqueux : établissement de l'existence et de l'unicité de la solution. Etude théorique du probleme des ondes longues semi-linéarisées dans un fluide parfait.

Dans le but de prédire les mouvements sédimentaires en environnements côtiers, l'interaction entre les particules et la turbulence doit être mieux comprise. Bien que des études précédentes aient démontré l'importance des échelles de turbulence sur le transport sédimentaire pour les écoulements de type "courant", il n'existe que très peu de travaux sur les écoulements de houle et courant superposés. Le but de cette thèse, menée d'un point de vue expérimental en canal à houle et/ou courant, est donc d'apporter de nouvelles informations permettant de mieux caractériser l'action de la houle sur les échelles de turbulence, lesquelles influencent les mouvements particulaires. Pour cela, nous avons, dans un premier temps, étudié par Vélocimétrie Laser les échelles de turbulence produites à l'aval d'une grille dans un écoulement à surface libre type "courant continu". Dans la seconde partie de nos expériences, nous avons superposé une houle monochromatique à ce courant. A l'aide d'une nouvelle technique de corrélation, l'action de la houle sur les échelles de turbulence a pu être étudiée. Nos résultats mettent principalement en valeur une modulation de la turbulence par la houle que nous avons pu caractériser pour différentes périodes et amplitudes de houle. La principale conclusion de ce travail est que, pour traiter des problèmes de transport sédimentaire en milieu côtier ou estuarien, une variation temporelle de la taille des échelles de turbulence doit être prise en compte.

Dans cette étude, on s'intéresse à la compréhension de la dynamique de l'écoulement d'interaction d'une couche de mélange plane turbulente avec un cylindre circulaire. Cet écoulement trimensionnel et inhomogène dans les trois directions est analysé, dans un premier temps, à l'aide de mesures fils chauds et de mesures de pressions pariétales. A partir de ces données, on montre l'influence du nombre de Reynolds, du rapport d'aspect et du paramètre de cisaillement sur le nombre de Strouhal, le coefficient de succion et la longueur de formation. En particulier, les analyses montrent que, dans la région au dessus de l'impact de la couche de mélange (du côté basse vitesse), l'analyse spectrale présente systématiquement au moins deux cellules de fréquence constante. L'organisation principale est quant à elle analysée à l'aide de mesures PIV (Vélocimétrie par Image de Particule) et au moyen de la POD (Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres). Les premiers modes POD, représentant l'organisation des structures cohérentes énergétiquement dominantes, montrent clairement la présence de structures inclinées de part et d'autre de la région d'impact de la couche de mélange. En dessous de l'impact (du côté haute vitesse), où l'écoulement est tridimensionnel, les modes POD plus élevés présentent des modes de coalescence de structures, de structures longitudinales et de dislocations de structures, proches de ceux trouvés lors de la tridimensionalisation des sillages (par leur nature intrinsèque ou par pertubation suivant l'envergure du cylindre). Par ailleurs, à l'aide d'une projection de Galerkin dans le plan derrière l'axe du cylindre, un LODS (Low Order Dynamical System) est construit. Son analyse révèle l'existence d'une ``injection'' de fluide du côté haute vitesse de fréquence de battement faible. Enfin, une analyse de données simulées à bas nombre de Reynolds (DNS) permet de conforter les résultats expérimentaux sur la présence de comportements caractéristiques à cette configuration d'écoulement.

On présente quelques résultats de contrôlabilité et de contrôlabilité lagrangienne sur des équations aux dérivées partielles.

In this doctoral work, we adress various problems arising when dealing with multi-physical simulations using a segregated (non-monolithic) approach. We concentrate on a few specific problems and focus on the solution of aeroelastic flutter for linear elastic structures in compressible fl ows, conjugate heat transfer for re-entry vehicles including thermo-chemical reactions and finally, industrial electro-chemical plating processes which often include stiff source terms. These problems are often solved using specifically developed solvers, but these cannot easily be reused for different purposes. We have therefore considered the development of a flexible and reusable software platform for the simulation of multi-physics problems. We have based this development on the COOLFluiD framework developed at the von Karman Institute in collaboration with a group of partner institutions. For the solution of fl uid fl ow problems involving compressible flows, we have used the Finite Volume method and we have focused on the application of the method to moving and deforming computational domains using the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. Validation on a series of testcases (including turbulent flows) is shown. In parallel, novel time integration methods have been derived from two popular time discretization methods. They allow to reduce the computational effort needed for unsteady fl ow computations. Good numerical properties have been obtained for both methods. For the computations on deforming domains, a series of mesh deformation techniques are described and compared. In particular, the effect of the stiffness definition is analyzed for the Solid material analogy technique. Using the techniques developed, large movements can be obtained while preserving a good mesh quality. In order to account for very large movements for which mesh deformation techniques lead to badly behaved meshes, remeshing is also considered. We also focus on the numerical discretization of a class of physical models that are often associated with fluid fl ows in coupled problems. For the elliptic problems considered here (elasticity, heat conduction and electrochemical potential problems), the implementation of a Finite Element solver is presented. Standard techniques are described and applied for a variety of problems, both steady and unsteady. Finally, we discuss the coupling of the fluid flow solver with the finite element solver for a series of applications. We concentrate only on loosely and strongly coupled algorithms and the issues associated with their use and implementation. The treatment of non-conformal meshes at the interface between two coupled computational domains is discussed and the problem of the conservation of global quantities is analyzed. The software development of a flexible multi-physics framework is also detailed. Then, several coupling algorithms are described and assessed for testcases in aeroelasticity and conjugate heat transfer showing the integration of the fluid and solid solvers within a multi-physics framework. A novel strongly coupled algorithm, based on a Jacobian-Free Newton-Krylov method is also presented and applied to stiff coupled electrochemical potential problems.