La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié.

Dans un moteur à propergol solide, l'écoulement dépend fortement des gouttes d'alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s'élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d'aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu'elles coalescent lorsqu'elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d'inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des "fluides" de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d'ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d'effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l'ordre deux sur maillages structurés ainsi qu'un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d'inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d'intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L'ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d'une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d'évaluer la faisabilité de l'approche et d'orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticules.

Le phénomène de dispersion/fragmentation du corium reste un des éléments les plus complexes et incertains de la modélisation d’un accident nucléaire. Afin de valider les modèles de sous-maille actuellement implémentés dans le logiciel MC3D (développé à l’IRSN), une expérimentation sans explosion de vapeur a été imaginée. Il s’agit d’un jet de métal liquide à bas point de fusion (métal de Field) interagissant avec de l’eau stagnante dans une cuve de large dimension. Cette thèse comporte deux volets ; le premier porte sur l’étude de la fragmentation dite secondaire d’une goutte isolée de métal de Field, à bas nombre de Weber. Dans ce but un dispositif expérimental GaLaD (générateur de goutte à la demande) a été conçu par nos soins. Cette partie a permis de faire une revue de littérature sur la fragmentation liquide-liquide, avec une comparaison quantitative de la fragmentation secondaire des gouttes uniques dans le cas liquide-liquide et dans le cas gaz-liquide. Le second volet concerne l’étude d’un jet de métal de Field, le dispositif GaLaD a pu être modifié de façon à pouvoir générer de petits jets de métal liquide dans l’eau. Les résultats obtenus ont permis une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu avec un modèle d’entrainement diphasique pour modéliser le jet. Dans le cadre de cette thèse, un dispositif expérimental supplémentaire désigné par JaLaD est développé. Dans la suite, ce dispositif sera dédié à l’étude des jets dans l’eau et doit nous permettre de réinterpréter les données d’expériences classiques via de nouvelles mesures innovantes / The phenomenon of dispersion/fragmentation of corium remains one of the most complex and uncertain elements of nuclear accident modeling. In order to validate the sub-mesh models implemented in the MC3D software (developed by IRSN), an experiment without vapor explosion has been conceived. It consists of a low-melting liquid metal jet (Field metal) interacting with a stagnant water in a large tank. This thesis is divided into two parts ; the first one is related to the study of the so-called secondary fragmentation of an isolated drop of Field’s metal, for low Weber number. To this end, we designed an experimental device, GaLaD (drop-on-demand droplet generator). In this part, a literature review on liquid-liquid fragmentation is conducted with a quantitative comparison of the secondary fragmentation for a single drop in the liquid-liquid and the gas-liquid cases. The second part concerns the study of a jet of Field’s metal. For this purpose, GaLaD was modified, so as to be able to generate small jet of liquid metal in water. The obtained results allowed a better understanding of the physical phenomena involved in two-phase turbulent jet fragmentation. In the framework of this thesis, an additional experimental device designated by JaLaD is developed. Subsequently, this device will be dedicated to the study of metal jet in water and must allow us to reinterpret the data of classical experiments via new innovative measurement techniques

La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié. / The design of a high performance anode supported SOFC operating under pure methane requires the elaboration of a thin film of electrolyte and the development of an original architecture adapted to the reforming of hydrocarbons. The first part of this work was dedicated to the elaboration of yttria stabilized zirconia thin films of electrolyte by ESD onto a NiO-8YSZ porous substrate. This original technique has allowed the fabrication of thin, dense and gas-tight films starting from a suspension, with good electrical properties comparable to that of a bulk sample of the same nature. The second part of this work concerned the design of an optimized SOFC cell with an original architecture integrating an anodic catalytic membrane based on a concept gathering the gradual internal reforming and the electro-catalytic dissociation. The assembly of the optimized components is conditioned by an elaboration sequence specifically established. The adjustment of the cell in a test bench led to the achievement of electrochemical tests in hydrogen and methane at 800°C. The stable operating of the cell fueled by pure and dry methane with optimized faradaic efficiency for more than 1000 h without carbon deposition proved the viability of the studied concept.

Les probiotiques sont des microorganismes vivants qui, ingérés en quantité suffisante, exercent des effets positifs sur la santé. La lyophilisation est aujourd’hui questionnée quant à sa consommation d’énergie et son caractère discontinu. S’il offre une alternative pour produire massivement des poudres probiotiques à faible coût, le séchage par atomisation induit quant à lui des stress thermiques et oxydatifs conduisant à des pertes de viabilité rédhibitoires.Dans ce travail, un procédé innovant de séchage par atomisation est proposé. Du lactosérum doux concentré (jusqu’à 30% p/p) est utilisé à la fois comme support de culture et de séchage de P. freudenreichii et L. casei. Ce procédé élimine les étapes intermédiaires à risque de contamination élevé, accroît la biomasse et améliore la viabilité des bactériesLes mécanismes sous-jacents ont été explorés au plan de la résistance bactérienne et des conditions de séchage. Le milieu concentré induit une osmoadaptation des bactéries par expression de protéines de stress et accumulation de solutés compatibles, conduisant à une tolérance accrue des probiotiques à différents stress. La présence d’agrégats et la concentration en Mg2+ du milieu concentré pourraient également être impliquées.Le scale-up du procédé a été étudié : un schéma technologique semi-industriel impliquant séchage par atomisation, sur bande et en lit fluidisé a permis d’atteindre une viabilité de 100% (> 109 CFU g-1). Par ailleurs, la fonctionnalité des poudres probiotiques a été évaluée in vitro and in vivo sur modèle porcelet. Ce travail ouvre de nouvell / Probiotics are live microorganisms that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host. Freeze drying, the reference drying method, is currently challenged because of its low energy-efficiency and productivity. Therefore, spray drying is expected to be an alternative and sustainable method for producing probiotic powders. The issue remains in the considerable inactivation of probiotics caused by high temperature and dehydration during the process. In this work, a novel spray-drying process for continuous production of probiotics was challenged. Concentrated sweet whey (up to 30% w/w dry matter) was used to both culture and spray dry P. freudenreichii ITG P20 and L. casei BL23. This process cut down the steps between culturing and drying (e.g. harvesting, washing), increases the cell population after growth and improves spray drying productivity and probiotic viability. The mechanisms were explored from bacterial physiology and drying process conditions. The hypertonic stress led to overexpression of key stress proteins and accumulation of intracellular compatible solutes, which enhanced multistress tolerance. The presence of protein aggregates and optimal concentration of Mg2+ in matrix may also be involved.The feasibility of scaling up this process was validated. A multi-stage semi industrial drying process, coupling spray-drying with belt drying and fluid-bed drying, was applied to further improve the probiotic viability to 100% (> 109 CFU g-1). Moreover, the functionality of these probiotic powders was investigated in vitro and in viv

Le processus d’atomisation est important pour la performance des moteurs à combustion interne. Grâce à un injecteur, le carburant liquide est admis dans la chambre de combustion et se divise en gouttelettes. Plus petites les gouttes, plus rapide leurs évaporation et meilleur le mélange air-carburant. Une meilleure combustion pourrait être obtenue, avec faibles émissions polluantes. La qualité de l’atomisation est influencée principalement par la géométrie de l’injecteur et les conditions opératoires qui forment la structure de l’écoulement interne, la turbulence, le profil de vitesse à la sortie de l’injecteur, la cavitation, etc. Tous ces aspects sont déterminants pour la rupture de l’écoulement externe. Un autre paramètre clé pour optimiser le processus d’atomisation est les propriétés physiques des carburants. On pense, parmi autres, à la tension de surface dynamique contrôlée par la diffusion des surfactants sur l’interface liquide-gaz ou à la viscosité extensionnelle qui rend un liquide plus résistant à l’étirement, influençant donc la rupture. Les effets de la géométrie de l’injecteur, les conditions opératoires et les propriétés physiques des liquides sur l’atomisation sont inter-dépendents. Les analyses expérimentales nous aident à comprendre les mécanismes impliquant et leurs interactions. D’une part, elles sont utiles pour les simulations numériques qui devraient être réalisées suivant la configuration considérée. D’autre part, les critères quantitatifs pourraient être établis afin de valider les résultats numériques. En suivant cette méthodologie de recherche, nous souhaiterons étudier l’atomisation d’une nappe liquide turbulente produite par un injecteur triple-disque. Les mesures expérimentales fournissent les images de la nappe, utilisées comme l’entrée d’une approche multi-échelle. Nous étudions, grâce à la dernière, les comportements de la nappe, des ligaments qui apparaissent à ses bords et des gouttelettes. De plus, deux méthodes de frontières immergées sont développées pour résoudre en même temps l’écoulement interne et le processus d’atomisation. Nous réalisons deux applications, la première pour un jet liquide éjecté par un injecteur cylindrique et la deuxième pour une nappe plane produite par un injecteur triple-disque. / Liquid fuel atomization is crucial for the performance of internal combustion engines. Through an injector, the liquid is delivered into the combustion chamber and breaks down into droplets. The finer the drops, the quicker their evaporation and the more proper their mixing with air. A proficient combustion could hence be expected, with low pollutant emissions. Atomization quality is primarily affected by the injector design and the operating conditions which shape the internal flow structure, the turbulence level, the velocity profile at the nozzle outlet, the cavitation and so forth. All these features are determinants of the breakup of the external liquid flow. Another key parameter to optimize the atomization process is the fuel physical properties. One can think of, among others, the dynamic surface tension controlled by the diffusion of the surfactants on the liquid-gas interface or the extensional viscosity which makes a liquid to become more resistant to the stretching, thereby affecting the breakup. Effects of the injector design, the operating conditions and the liquid properties on the atomization are inter-dependent. Analyses of experimental data help us to understand the involved mechanisms and their interactions. On the one hand, this is useful for the numerical developments which should be carried out depending upon the configuration. On the other hand, quantitative criterion could be established to validate the simulation results. Following the above research methodology, we aim to study the disintegration of planar turbulent liquid sheets produced by a triple-disk injector. Experimental measurements provide the sheet images, used as input for a multi-scale analysis. We investigate, thanks to the latter, the behaviours of the liquid sheet, the ligaments appearing on its edges and the resulting droplets. Moreover, two immersed boundary methods are developed, aiming to simultaneously solve the nozzle flow and the breakup process. We carry out two applications, the first one on a liquid jet ejected by a cylindrical nozzle and the other a planar sheet issuing from a triple-disk injector.

Le but de cette thèse est d'étudier numériquement les écoulements diphasiques liquide-gaz à l'aide d'une méthode de suivi d'interface précise. Tout d'abord, nous mettons en place une configuration turbulence homogène isotrope diphasique. Cette configuration est utilisée pour étudier la turbulence liquide-gaz ainsi que le modèle ELSA. A l'aide de la simulation présentée il a été possible de déterminer les constantes de modélisation et de valider les termes sources utilisés dans la zone dense du spray. Ensuite, le phénomène d'évaporation est étudié en utilisant dans un premier temps un scalaire passif puis en utilisant un formalisme DNS d'évaporation. Les équations d'énergie et des espèces ont été ajoutées dans le code ARCHER. La validation de la DNS d'évaporation a été réalisée en comparant nos résultats aux solutions théoriques, tel que la loi du D2. Les limitations et les apports de cette approche sont finalement discutés et des perspectives d'améliorations sont proposées. / The aim of this thesis is to study numerically two phase flow using accurate interface tracking method. First, a two phase flow homogeneous isotropic turbulence is performed. This numerical configuration is used to study two phase flows turbulence and the ELSA model used in primary atomization modelling. Based on these results, modelling constants and source terms have been determined and validated. Then the evaporation process is studied and modelized by using a passive scalar and then by using a DNS formalism. Energy and species equations are added in the ARCHER code. Validation of the DNS performed by comparing the DNS results with theorical solution, such as the D2 law. Finally, limitations and interests of this approach are discussed and further improvements are proposed.

The production of metal powders by water atomisation is a well established process, which can be used to produce a wide range of particle sizes. A careful control of the particle size distribution is necessary, to atomise powders with a high quality and at a low production cost. Therefore, it is necessary to have a substantial knowledge of the relation between operational parameters and the particle size, to be able to produce water atomised metal powders with consistent and high yields. The main purpose with this thesis was to increase the knowledge about factors which affect the mass median particle size (d50) for water atomised metal powders. The specific objectives with the study were to develop a theoretical d50 model and to investigate the relation between the particle size and the physical properties of the liquid metal. Pilot scale experiments for liquid iron showed that alloy additions of carbon and sulphur decreased the d50 value, at a maintained liquid steel temperature before atomisation. Moreover, it was indicated that the reduced particle size at increased %C and %S contents may be related to a decreased viscosity and surface tension of the liquid metal, respectively. An alternative explanation could be that raised superheats at increased carbon contents increased the total available time for atomisation, which may have contributed to a reduction of the d50 value. The theoretical d50 model developed in this work showed a very good correlation to the current experimental data. The model considers the influence of surface tension, viscosity, melt stream diameter, water pressure, water jet angle and water to metal ratio. This model was further used to analyse how the d50 value was influenced by the viscosity and the surface tension. A reduced viscosity from 4∙9 to 2∙1 mPa s decreased the d50 value with 33%. In addition, the particle size was estimated to decrease with 21% by decreasing the surface tension from 1840 to 900 mN m-1. / Q 20120529

Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence / One way to increase efficiency and reduce pollution in the transportation and energy domain is designing fuel injectors with better atomization. In this thesis, experiments were performed on a prefilming airblast atomizer often used in gas turbines. For this purpose, a model device with a cylindrical configuration was created to study the shearing of a film of water subjected to an internal high speed air flow. High speed shadowgraphy technique was used to analyse the development of the liquid film (frequency and wave celerity) and the atomization of the sheet at the injector outlet (breakup mode). The modification of the injection parameters (velocity of flows) revealed a link between the topology of the liquid film and the primary atomization regime. Finally,the influence of the geometry of the injector (prefilming length) about the mode of primary atomization was also highlighted with an exploratory study

Les politiques récentes de développement durable en vigueur dans la majorité des pays requièrent des améliorations significatives dans la performance des systèmes de génération d'énergie d'aujourd'hui et ont encouragé fortement différentes études à travers le monde au cours des dernières années. Un champ d'intérêt particulier concerne l'optimisation de l'usage des carburants liquides, car ils sont responsables pour les émissions polluantes dans le monde de part les applications dans les moteurs à combustion interne et les brûleurs industriels étant ainsi des sources non renouvelables d'énergie primaire. Cependant, les complexités inhérentes aux phénomènes qui gouvernent chaque partie du processus de la combustion demandent encore une meilleure compréhension. Entre ces complexités, la qualité de l'atomisation des carburants liquides joue un rôle major du point de vue de la performance thermodynamique et le niveau des émissions polluantes dans le processus de combustion. Néanmoins, le mécanisme de formation des aérosols n'est pas encore parfaitement compris. Un autre aspect qui demande des études plus approfondies pour une meilleure compréhension est la connaissance des caractéristiques d'évaporation de la phase discrète dans un environnement convectif. Au cours des dernières années, des études expérimentales ont démontré l'importance de la compréhension des aspects fondamentaux inhérents aux systèmes complexes en supportant l'amélioration de la précision des modèles théoriques implémentés dans les codes de simulation numérique. La présente étude est consacrée à améliorer la compréhension du processus d'atomisation pour un carburant liquide, par le développement de méthodologies plus rationnelles pour mesurer les tailles des gouttelettes dans des aérosols, pour prédire la performance d'atomiseurs de liquides et pour déterminer les caractéristiques de l'évaporation de gouttelettes liquides. Avec ces objectives les méthodes suivantes ont été proposées: i. Détermination de la taille minimale requise par un échantillon pour la caractérisation d'un aérosol, ii. Technique non-intrusive pour mesurer le taux d'évaporation des gouttelettes de carburants liquides, iii. Fonction général pour caractériser la taille de gouttelettes dans des aérosols selon le système Pearson, iv. Développement d'une corrélation pour la distribution du SMD dans un plan axial de l'aérosol, et v. Perfectionnement du modèle d'atomisation à utiliser dans des codes de modélisation numérique en fluide. Les résultats pratiques obtenus ont été utilisés pour déterminer les positionnements et conditions opérationnelles optimales, ainsi que le mode d'injection le plus approprié à être utilisé pour le prototype expérimental du moteur à détonation puisée qui a été développé par le Groupe de la Propulsion du centre de Recherche pour la Défense et Développement du Canada - Valcartier. Néanmoins, les résultats peuvent être utilisés d'une façon plus générale pour supporter la validation de codes de modélisation numérique et le projet de chambres de combustion industrielles.