Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN / The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model

L'implantation dans l'industrie de la photocatalyse nécessite de nouvelles recherches afin de contrôler et dimensionner les réacteurs photocatalytiques. Une solution innovante concerne la microstructuration des réacteurs. En effet, elle permet d'augmenter l'efficacité catalytique en améliorant le contact du polluant avec le catalyseur. L'objectif de la thèse concernait la destruction d'un polluant modèle, l'acide salicylique, par un catalyseur (TiO2) déposé au fond d'un microcanal. La recherche repose sur des expérimentations mais aussi sur des simulations permettant de prévoir la dégradation photocatalytique pour une configuration de réacteur donnée. Dans nos conditions expérimentales de faible débit, nous avons mis en évidence une dispersion axiale et un gradient de concentration entre la surface catalytique et le milieu réactionnel. En tenant compte des conditions d'écoulement, nous avons montré que le gradient de vitesse est plus marqué dans les microréacteurs de faible section de passage. Ce gradient favorise la formation de zones de recirculation près de la surface catalytique créant ainsi des conditions favorables au contact entre le polluant et la surface catalytique. A l'aide d'un logiciel numérique, nous avons simulé la réaction de dégradation photocatalytique qui permet de rendre compte de nos résultats expérimentaux. D'une part, le rôle primordial de la diffusion vers la surface catalytique a été mis en évidence. D'autre part, la simulation numérique nous a permis d'établir la relation du nombre de Sherwood en fonction des nombres de Reynolds, de Schmidt et du diamètre hydraulique du microcanal. Cette relation permet d'estimer la constante de transfert de matière pour représenter correctement la dégradation quel que soit le type de microréacteur envisagé / Industrial photocatalysis applications requires further research to control and design photocatalytic reactors. The micro structuring of reactors is an innovative solution. It increases the catalytic efficiency by improving the contact of the pollutant with the catalyst. Thesis aim concerned the destruction of a model pollutant, salicylic acid, with deposited catalyst (TiO2) at the bottom of a microchannel. The research is based on experiments and simulations to predict the photocatalytic degradation for a given reactor configuration. In our experimental conditions of low flow, an axial dispersion and a concentration gradient between the catalyst surface and the reaction medium have been demonstrated. We have shown that the gradient of velocity is more pronounced in low cross section microreactors. This gradient allows the formation of recirculation zones near the catalytic surface thus creating favorable conditions for contact between the pollutant and the catalytic surface. Using numerical soft, we have simulated the reaction of photocatalytic degradation to represent our experimental results. On a one hand, the role of diffusion to the catalytic surface has been demonstrated. On the other hand, numerical simulation has allowed to establish a relationship between the Sherwood number as a function of Reynolds number, Schmidt and the hydraulic diameter of the microchannel. This relationship is used to estimate the mass transfer constant to represent correctly the photocatalytic degradation

Ce travail porte sur l’étude de l’évaporation d’une goutte présentant une interface liquide/gaz complexe. Nous choisissons de nous focaliser sur deux manières différentes dont cette interface peut se complexifier, par interaction avec une phase solide :soit la phase solide constitue le support sur lequel repose la goutte, soit la phase solide se situe au sein même de la goutte. En particulier, nous nous intéressons à l’étude de l’évaporation de gouttes sessiles sur des surfaces géométriquement texturées ainsi qu’à l’étude de l’évaporation de gouttes en suspension contenant des composés non volatils.Tout d’abord, nous étudions les dynamiques d’évaporation de gouttes d’un liquide complètement mouillant et très volatil déposées sur des surfaces géométriquement texturées mais chimiquement homogènes. La texturation de la surface consiste en un réseau de piliers circulaires organisés selon un schéma carré, construits par photolithographie de façon à pouvoir contrôler la rugosité de la surface. La dynamique de la ligne de contact et la forme de la goutte sont caractérisées par interférométrie. Une étude paramétrique est réalisée en faisant varier les paramètres géométriques de la texturation de surface, typiquement le rayon et la hauteur des piliers (en gardant la distance inter-piliers fixe). L’étude met en évidence trois types de dynamiques en fonction de la valeur de ces para- mètres géométriques :i) un régime dominé par l’évaporation, avec une ligne de contact en récession pendant toute la durée de l’évaporation de la goutte ;ii) un régime dominé par l’étalement, avec un rayon initialement croissant pendant le début de l’évaporation ;iii) une situation intermédiaire avec des effets d’accrochage de la ligne de contact importants. Un modèle mathématique est développé, qui met en évidence l’influence de la géométrie de la texturation de surface sur la compétition entre les phénomènes d’étalement et d’évaporation de la goutte. Le modèle parvient à reproduire qualitativement les résultats expérimentaux, montrant que le choix entre les deux régimes extrêmes dépend de la valeur d’un paramètre adimensionnel, qui compare les temps caractéristiques d’évaporation et d’étalement au sein de la texturation de surface. Des lois d’échelles sont aussi mises en évidence, à la fois expérimentalement et théoriquement.Ensuite, nous nous intéressons à l’évaporation de gouttes au sein d’un séchoir par atomisation, dans le cas particulier de la microencapsulation de polyphénols. Cette situation appliquée repose sur l’évaporation de gouttes en suspension contenant deux composés non volatils dissous. Une étude expérimentale de microencapsulation de polyphénols par atomisation est réalisée à l’échelle du laboratoire. Nous observons l’influence des paramètres opératoires (proportion en masse du composé d’intérêt et de l’agent encapsulant dans la solution initiale, débit de liquide, vitesse et température du gaz de séchage) sur l’efficacité du procédé et sur les caractéristiques de la poudre obtenue (taille et morphologie des grains, contenu en eau, conservation de l’activité phénolique). Sur le plan théorique, l’évaporation de ces gouttes est caractérisée grâce à des modèles existants permettant de déterminer la température de la goutte et son temps d’évaporation, ainsi que la dynamique des composés non volatils au sein de la goutte au cours du temps. De plus, une méthode d’évaluation de l’efficacité de la chambre de séchage est proposée, qui repose sur la comparaison entre le temps d’évaporation des gouttes et leur temps de parcours au sein de la chambre. Ces différents modèles sont en accord avec les résultats expérimentaux obtenus et permettent notamment de donner des conseils pour la conception et le dimensionnement de séchoirs par atomisation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse à pour objet l'étude de certains aspects du problème de Cauchy pour l'équation des vagues. Dans la première partie, on utilise une formulation paradifférentielle pour prouver un critère d'explosion pour les vagues de gravités. On montre ensuite des estimations de Strichartz pour les vagues de capillarités, avant de les utiliser pour résoudre le problème de Cauchy à faible régularité. Dans la deuxième partie, on prouve des estimations a priori pour les vagues de gravité avec fond émergent. / This thesis studies some aspects of the Cauchy problem for the water waves equation. In the first part, we use a paradifferential formulation to prove a blow-up criterion for gravity waves. We then show some Strichartz estimates for capillary waves, and use them to solve the Cauchy problem at low regularity. In the second part, we prove a priori estimates for gravity waves with an emerging bottom.

Dans le cadre du design des assemblages combustibles, les écoulements turbulents induits par les grilles de maintien provoquent de fortes fluctuations de pression dues aux niveaux de vitesses du fluide induisant la vibration des crayons combustibles. Or ces vibrations sont une source de vieillissement accéléré et d’usure prématurée des assemblages combustibles dont l’origine convient d’être mieux analysée.Dans cette l'optique, des simulations numériques ont été utilisées pour prédire les niveaux de vitesses transverses ainsi que le niveau de turbulence en aval de la grille. Cependant, les codes CFD doivent être validés avec des mesures expérimentales conduisant ainsi à une meilleure compréhension des structures mis en jeu dans le processus de mélange. Or la caractéristique de ce type d'écoulement repose sur son caractère tridimensionnel entre les faisceaux de crayons où l'accès optique est limité et à l'heure actuelle, aucune mesure de vitesse 3D n'a été réalisée. C'est pourquoi nous nous proposons de présenter dans cette étude l'application d'une technique de mesure 3D résolue en temps dans une boucle hydraulique transparente. L’approche consiste à utiliser une stratégie de suivi, dans lequel des particules traceuses individuelles sont d'abord détectées dans l’écoulement et ensuite suivies dans le temps – PTV 3D.Cette thèse présente les résultats obtenus dans une veine d’essais hydraulique en utilisant une approche de suivi à l’aide de deux caméras. Dans un premier temps, une nouvelle extension de la technique de défocalisation permettant de récupérer les positions des particules dans le temps avec une caméra est présentée et la méthodologie pour récupérer les déplacements individuels est décrite. Des cas d’application et de validation de la technique sont présentés afin de mieux quantifier les erreurs de mesures. Ensuite, la boucle hydraulique est introduite et son écoulement caractérisé par des techniques établies de mesure de vitesse. Finalement, les mesures 3D à deux caméras sont réalisées et discutées. / In order to validate the numerical simulation of the mixing phenomena downstream a spacer grid in the reactor core, reaching the 3rd velocity component through experimental studies is of major importance since mechanical structures responses are linked to transverse velocities. Nevertheless the main difficulty relies on applying a non-intrusive velocimetry technique around obstacles composed of a vertical set of rods. So far only 1D and 2D temporal studies have been performed.Hence, numerical methods have been widely used to predict correctly those transverse velocities and the turbulence level downstream the grid. However, CFD codes are to be validated with experimental measurements leading to a better understanding of the detailed flow structure in the mixing process. Therefore we propose to present in this study the application of a 3D time resolved velocity measurement technique to a hydraulic test facility. The approach is to use a tracking strategy, in which individual particles are first detected then followed in time - 3D time resolved Particle Tracking Velocimetry.This PhD Thesis presents results obtained in a hydraulic test section using a tracking based approach with two cameras. At first, a new extension of the defocussing technique to recover particles location in time with one camera is presented and the methodology o get individual velocity vector is then described. Applications and validations of the technique in dedicated flows allow to determinate and quantify measurement uncertainties. Then the hydraulic test section is introduced together with preliminary flow characterization using Laser Doppler Velocimetry or 2D time resolved PIV analysis. Finally, two cameras measurements are reported and post-processing techniques are discussed.

L’industrie automobile se trouve aucentre des préoccupations environnementalesactuelles. Les moteurs essence à injection directeopérés en condition pauvres offrent un fortpotentiel en terme de réduction des émissions depolluants. En contrepartie, ils sont sujets à uneforte variabilité cyclique de combustion (CCV)qui ne peut être que partiellement étudiéeexpérimentalement. La simulation aux grandeséchelles (SGE) apparait comme une approchenumérique adaptée pour étudier de telsphénomènes, du fait de sa capacité naturelle àcapter les phénomènes instationnaires. Laprésente thèse se propose d’une part d’estimer lacapacité de la SGE à reproduire les CCVobservées expérimentalement, et d’autre part decontribuer à une meilleure compréhension deleur apparition. Dans ce contexte, un effortparticulier est mis sur la modélisation desphénomènes proche paroi. En particulier, unmodèle de paroi adapté à l’étude del’aérodynamique interne de configurationindustrielles est proposé. Il est validé sur desconfigurations de complexités variées. Enfin,l’étude porte sur le cas du moteur M256 qui estétudié en s’appuyant sur une solide base dedonnées expérimentales. Les causes de CCV sontexplorées, et notamment, l’impact de lavariabilité de l’écoulement généré pendant laphase d’admission sur la propagation du front deflamme est clarifié. / The automotive industry finds itselfat the center of current environmental concerns.Modern direct injection engines, operated underlean condition have the potential to reducepollutant emissions. As a drawback, they aresubject to large cyclic combustion variability(CCV), that can be explained only partially byexperimental measurements. Large-EddySimulation (LES) appears as an adapted tool tocomplement experiments, due to its naturalability to capture unsteady phenomena. Thepresent PhD thesis first aims at reproducing theCCV, and at contributing achieving a betterunderstanding of their occurrence.In this context, a special effort is put on thereproduction of near-wall phenomena, throughthe proposal of a new wall boundary conditionthat is validated on cases of differentcomplexity. Then the focus is put on the M256case, for which an extensive experimentaldatabase is available. The causes of CCV areexplored, and in particular, the impact of thevariability of the intake flow on the flame frontpropagation is clarified.

Cette étude fondamentale présente des résultats expérimentaux et numériques concernant la dynamique et la stabilité de tourbillons avec écoulement axial, pour des nombres de Reynolds modérés. La première partie de la thèse s'attache à étudier l'instabilité elliptique dans des paires de tourbillons co- et contrarotatifs, avec écoulement axial. L'étude de stabilité de deux tourbillons corotatifs de Batchelor, réalisée avec un code à éléments spectraux, a permis d'identifier clairement des modes de l'instabilité elliptique à structure spatiale complexe, pour différentes valeurs de l'écoulement axial et du nombre d'onde axial. Expérimentalement, l'instabilité elliptique a été mise en évidence dans des paires de tourbillons co- et contra-rotatifs, générées au moyen de deux demi-ailes placées dans un canal hydrodynamique. L'analyse POD (Proper Orthogonal Decomposition) d'images acquises par une caméra rapide a mené à une caractérisation précise du mode de l'instabilité observé, qui implique des perturbations avec des nombres azimutaux m=0 et m=2, remplissant la condition de résonance de l'instabilité elliptique. L'analyse numérique de stabilité des vortex expérimentaux, caractérisés par une méthode de Vélocimétrie Stéréoscopique par Images de Particules, a montré le même mode instable. Les longueurs d'onde et taux de croissance expérimentaux et numériques sont en bon accord. La deuxième partie de l'étude porte sur le "vortex meandering", abord expérimentalement en générant un vortex de bout d'aile. Une analyse détaillée des perturbations du tourbillon permet de mettre ce phénomène en relation avec la théorie de croissance transitoire des perturbations d'un vortex isolé.

Une étude numérique et expérimentale de l'écoulement autour de corps roulants ou glissants est présentée. La géométrie des corps étudiés est soit sphérique soit cylindrique, et le nombre de Reynolds, basé sur le diamètre et la vitesse de translation du corps, est limité à des valeurs inférieures à 500. Le but de cette étude est de comprendre l'interaction des effets d'une rotation et de la proximité d'une paroi sur le sillage d'un corps non-profilé, quand ces deux effets sont présents simultanément. Dans le cas d'un cylindre roulant le long d'une paroi, des simulations bi- et tri-dimensionnelles ainsi qu'une étude de stabilité linéaire ont été effectuées. L'écoulement autour d'une sphère, roulant ou glissant le long d'une paroi, est étudié expérimentalement et par des simulations numériques tri-dimensionnelles. L'espace des paramètres de cet écoulement est défini par le nombre de Reynolds et le taux de rotation adimensionné du corps. Cinq valeurs de rotation ont été considérées. Cette plage décrit des situations allant du roulement "normal", sans glissement entre le corps et la paroi, au roulement "inversé", où le corps tourne dans la direction opposée. Une approche numérique avec une méthode à éléments spectraux a été utilisée pour simuler l'écoulement en deux et trois dimensions. Des expériences en laboratoire ont été effectuées dans un canal à eau en circuit fermé, équipé d'un tapis roulant avec aspiration de la couche limite. La visualisation par colorant a été utilisée afin d'identifier les différents structures tourbillonnaires dans le sillage du cylindre et de la sphère.

Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés dans deux géométries bloquées. Les géométries utilisées sont des modèles d'artères sténotiques, une condition commune ou une contraction localisée grandit dans une artère. Les géométries sont des modèles simplifiés de la réalité physiologique d'une sténose, l'intention de l'étude étant d'isoler et de décrire les caractéristiques fondamentales des écoulements sténotiques. L'étude se concentre sur l'effet de la variation du taux de blocage sur l'écoulement et sa stabilité. La première partie de la thèse présente une investigation de l'écoulement stationnaire à travers une conduite bidimensionnelle, avec une contraction asymétrique semi-circulaire. Les variations de la dynamique et de la stabilité et du sillage avec le nombre de Reynolds et le taux de blocage sont présentés. Le mode primaire de l'instabilité est décrit et son mécanisme déterminé analytiquement comme étant une instabilité elliptique. La deuxième partie concerne une géométrie cylindrique avec une contraction axisymétrique. Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés numériquement et expérimentalement. Numériquement, les différents modes linéaires d'instabilité sont identifiés. Expérimentalement, l'influence importante d'une instabilité convective est observée. Pour l'écoulement stationnaire, des comparaisons entre le comportement périodique de l'instabilité convective et la réponse d'un forçage sur l'écoulement stable sont effectuées. Pour l'écoulement pulsé, l'instabilité convective domine pour la plupart des cas considérés. La dépendance du nombre de Reynolds et du taux de blocage des deux formes d'instabilité est étudiée.