Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie Mécanique : Clermont-Ferrand 2 : 2005. / Thèse avec annexes. Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 125-130.

La perte d’énergie résultant du processus de regazéification du gaz naturel liquéfié (LNG1) est bien connue et plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la récupérer. Toutefois, il n’existe pas de chartes pour aider à la conception de systèmes de production de puissance dans le contexte de regazéification du gaz naturel. L’objectif de ce projet est de créer des outils graphiques permettant de connaître la performance maximale de trois systèmes de production de puissance en contexte de regazéification du gaz naturel. Dans un premier temps, deux systèmes de production de puissance sont étudiés, soit le système d’expansion direct (DE) et le système de double expansion (D2E). Des modèles numériques d’optimisation ont été développés afin de maximiser le travail spécifique produit par ces systèmes, le tout pour une large gamme de conditions d’opération. Les nouvelles figures qui en résultent fournissent les valeurs maximales du travail spécifique produit, ainsi que les valeurs des variables de conception optimisées correspondantes (pressions à l’entrée des turbines). Finalement, des analyses de robustesse permettent de mesurer la capacité des systèmes DE et D2E à fournir de bonnes performances lorsqu’ils ne sont pas utilisés dans des conditions optimales. Dans un deuxième temps, un système de production de puissance basé sur un cycle de Rankine rejetant sa chaleur à du LNG est étudié. Des optimisations numériques sont effectuées afin d’obtenir le travail spécifique maximal produit par ce système et les résultats sont reportés sous forme graphique. Ces nouvelles figures fournissent les valeurs du travail spécifique maximal produit pour un large éventail de conditions d’opération, ainsi que les valeurs des quatre variables de conception optimisées correspondantes (pressions d’entrée et de sortie de la turbine, ratio de débit massique, et fluide moteur). De plus, une analyse sousoptimale est faite pour chaque fluide étudié ce qui permet d’identifier lesquels peuvent fournir une performance relative acceptable comparée aux fluides optimaux. / Energy losses occurring while liquefied natural gas (LNG) is regasified are well known in the literature and many methods to recover this energy can be used. However, there is no general guidelines that allow to identify the best designs for power generation systems using thermodynamic cycles in the context of regasification of natural gas. The main goal of this project is to develop graphical tools that allow to determine the maximum performance of three systems of power production in the context of natural gas regasification. First, two power generation systems are studied, namely the direct expansion system (DE) and the double expansion system (D2E). Numerical optimization models are developed to maximize the specific work of the systems for a wide range of operating conditions. The resulting figures provide the values of the maximal specific work and of the corresponding optimized design variables (inlet and outlet turbine pressures). Finally, robustness analyses are performed to measure the capacity of the DE and D2E systems to provide good performances when they are used in non-optimal conditions. Second, a Rankine cycle using regasifying LNG as a heat sink is studied. Numerical optimizations are performed to get the maximal specific work of the system and the results are reported in graphical form. These new figures provide the value of the maximal specific work for a wide range of operating conditions, and also the values of the four corresponding optimal design variables (inlet and outlet turbine pressures, mass flow rate ratio, and working fluid). Furthermore, a sub-optimal analysis is performed for each fluid investigated and the resulting figures allow to identify the fluids that can provide a performance close to the performance provided by the best fluids.

Les bleuets présentent un grand intérêt dans le domaine nutraceutique en raison de leur forte teneur en composés antioxydants qui contribuent à la prévention contre certaines maladies chroniques. Les bleuets frais sont très périssables. Ils doivent donc être conservés soit par congélation ou bien transformés par des technologies de séchage. L'épaisseur de la cuticule épidermique et la structure des cires épicuticulaires hydrophobes se comportent, cependant, comme une véritable barrière contre la diffusion de l'humidité durant la déshydratation ralentissant ainsi le procédé. Par conséquent, le but de cette étude est d'étudier l'impact du prétraitement à l'azote liquide (-196°C) sur l'accélération de la cinétique de déshydratation osmotique des deux espèces de bleuets bien distinctes, le Vaccinium corymbosum L. et le Vaccinium angustifolium, ainsi que sur la qualité physicochimique des fruits déshydratés. Le temps d'immersion des bleuets dans le N₂ liquide et le nombre de chocs thermiques, ont étés les principaux facteurs qui accélèrent la perte d'eau. Une réduction du temps de déshydratation entre 45 et 65% par rapport aux expériences faites avec des bleuets non traités, a été obtenue. Diverses observations microscopiques confirment que la diminution de l'épaisseur de la cuticule par décirage et la fragilisation de Tépiderme facilitent le transfert d'eau et du sucre durant le processus osmotique. La caractérisation chimique initiale des bleuets a montré des fortes teneurs en phénols et en anthocyanes. La déshydratation osmotique couplée au N₂ liquide à des effets considérables sur certains paramètres de qualité (aw, volume) et une légère diminution des teneurs en phénols et en anthocyanes par rapport aux bleuets frais.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p.156-161.

L’extraction des cires végétales est fréquemment réalisée en utilisant des solvants tels que l’hexane, le cyclohexane, le méthanol, etc. Ces solvants sont très efficaces pour dissoudre les lipides. Cependant, ils sont aussi inflammables, très volatils et toxiques. Récemment, des recherches ont montré que les fluides cryogéniques peuvent aussi servir à cette fin. Par exemple, l’immersion cyclique des fruits entiers dans l’azote liquide (bleuet, argousier, raisin vert) a permis de diminuer les cires cuticulaires jusqu’à 50%. Le but de ce travail est donc d’étudier l’immersion dans l’azote liquide comme méthode ‘verte’ pour extraire la cire des grains. Du sorgho, du blé et du riz brun ont été immergés dans l’azote liquide en 1 à 3 cycles à différentes durées. L’impact du temps de repos entre les cycles (1-5 minutes à température ambiante) sur le rendement d'extraction a aussi été analysé. La performance d’extraction a été comparée à celle par le n-hexane avec la méthode reflux. La microscopie électronique à balayage (SEM) a permis de visualiser l'effet de l'immersion dans l'azote liquide et dans l’hexane sur la surface des grains. La chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) et à un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a été utilisée pour la détermination de la composition chimique des extraits obtenus par les deux méthodes. Les résultats ont montré que le rendement d’extraction le plus élevé était de 0.026% (g pds cire/100g pds grain) (riz-11minutes d'extraction), 0.032% (sorgho-4 minutes) et 0.025% (blé-13 minutes). En comparaison, le rendement des cires extraites par le n-hexane (70oC) a été de 0.196% (riz-60 minutes d'extraction), 0.298% (sorgho-45 minutes) et 0.126% (blé-30 minutes). Pour le blé et le riz, une augmentation significative du rendement a été observée pour des temps de repos entre 3 et 5 minutes entre les cycles par rapport à celui de 1 minute. Les résultats de GC-MS et GC-FID nous ont confirmé que de la cire a bien été extraire par l’azote liquide et le n-hexane, dont la composition est similaire dans les deux cas. Ces résultats montrent que la méthode d’extraction par l'azote liquide est réalisable malgré son rendement plus faible que celle par l'n-hexane mais avec un temps d’extraction plus court. L’azote liquide n’est pas toxique et c’est un solvant « vert » qui peut être éliminé du produit très facilement par simple évaporation, sans laisser aucune trace problématique. L'utilisation de l'azote liquide comme solvant d'extraction s'avère une méthode prometteuse pour la séparation des composés cireux des grains. La qualité des céréales traitées par l’azote liquide demeure inchangée donc elle pourra être considérée comme une étape secondaire dans le processus de polissage. / Wax extraction from plants is conventionally carried out by using organic solvents such as n-hexane, cyclohexane and methanol. Although, those solvents are very effective in dissolving lipids, they are flammable, toxic and highly volatile. Recent studies show that cryogenic fluids could also be used for wax extraction. For instance, cyclic immersion of whole fruits (blueberry, seabuckthorn, grapes) in liquid nitrogen has significantly reduced cuticular waxes up to 50%. So, the main aim of this work is to use liquid nitrogen as a “green method” to extract waxes from cereals. Several approaches were used to evaluate the extraction method by liquid nitrogen. Sorghum, wheat and brown rice were treated in liquid nitrogen in 1 to 3 cycles with different time intervals. The impact of rest time between cycles (1-5 minutes at room temperature) on the extraction yield was also reported by weighing waxes. The extraction efficiency of the method was compared to that of n-hexane which was referred as the control one. The surface of the grains treated by liquid nitrogen and n-hexane was visualized by the scanning electron microscopy (SEM). Finally, the gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) and flame ionization detector (GC –FID) was used to determine the composition in the extracts resulted from the two methods. Our results showed that the highest extraction efficiency was 0.026% (g cire/100g grain) (rice - 11 extraction minutes), 0.032% (Sorghum - 4 minutes) and 0.025% (wheat -13 minutes). Compared to the extraction by n-hexane method, its efficiency was 0.196% (rice – 60 extraction minutes), 0.298% (sorghum - 45 minutes) and 0.126% (wheat - 30 minutes). For wheat and rice, a significant increase in yield between 3 and 5 rest minutes with respect to the one of 1 minute was observed. The results of GC-MS and GC –FID confirmed that the waxes were extracted out of the grains by both liquid nitrogen and n- hexane. The wax composition of the extract is similar in both cases. These results conclude that the wax extraction method by liquid nitrogen is feasible despite it extracts waxes less than that of n-hexane, but the method benefits for the shorter extraction time. Liquid nitrogen is not toxic and is a "green" solvent which can be easily removed from the products by spontaneously simple evaporation leading no leftover residues. Therefore, using liquid nitrogen as the extraction solvent might be a promising way for separating waxes from waxy grains. The quality of grain processed by liquid nitrogen remains unchanged, thus it may be considered a sub-step in the milling process.

Ce travail se situant dans le cadre du Groupement de Recherche « Combustion dans les moteurs-fusées » unissant le CNES, le CNRS, l'ONÉRA et la SNECMA concerne l'étude de l'atomisation secondaire et de la vaporisation turbulente pour la combustion des brouillards. L'objectif principal de cette étude est de fournir des modèles fiables pour les codes de calcul, reproduisant fidèlement les processus élémentaires de la combustion cryogénique dans les moteurs-fusées.<br />Ces modèles sont issus d'études expérimentales précédentes du LCSR, ayant permis d'établir des bases de données.<br />Les calculs sont basés sur la simulation du banc d'essai MASCOTTE (Montage Autonome Simplifié pour la Cryocombustion dans l'Oxygène et Toutes Techniques Expérimentales) de l'ONERA. Les résultats montrent d'une part l'influence de l'atomisation sur la structure du brouillard et de la flamme. D'autre part, les simulations de la vaporisation turbulente mettent en évidence l'influence de la turbulence sur les propriétés des gouttes.

This thesis addresses the experimental investigation of the cavitation phenomenon and its main consequences on the normal operation of a safety relief valve (SRV). More particularly, limitation of the mass flux discharged and alteration of the hydraulic fluid forces behavior is of main interest for the proper design and sizing of such devices. In nuclear or thermal engineering systems, the use of SRVs is mandatory since it represents the ultimate protection device before an accident occurs, caused by a sudden pressurization of the system. A careful design and sizing of the SRV is therefore essential. The complete understanding of the physics taking place in the flow through the valve is required to guaranty and optimize the security of the protected process.<p><p>In order to investigate the above effects of cavitation in a SRV, two different orifice sized valves (API 2J3 type and a transparent model based on an API 1 1/2G3 type) are tested in two different experimental facilities expressly built for this purpose. Instead of using a spring, the design of both valves allows the adjustment of the disc at any desired lift. Hence the static behavior of the valves is investigated. Both facilities, operating at different magnitude scales, allow the study of single phase and cavitating flow conditions required to properly determine the most important hydraulic characteristics, and access on any potential scaling effect between both sized SRVs. Experimental techniques used for the determination of the hydraulic characteristics include temperature, flow rate, fluid forces and pressure measurements both upstream and downstream the test sections. <p><p>Results show a similar influence of cavitation on the flow characteristics of both valves, minimizing any potential scaling effect. The liquid pressure recovery factor FL, which is normally used to identify a choked flow condition in a control valve, is experimentally determined for the first time in a SRV. The existence of a local minimum located at small openings of the lift indicates a change on the flow characteristics of both valves, which is related to the location of the minimum cross section of the flow that does not remain constant for every lift position. An extended experimental campaign is performed to analyse the effect of the blowdown ring adjustment located around the nozzle of the API 2J3 valve. Results confirm that the position of the ring has an important contribution for the hydraulic forces acting on the valve disc. <p><p>In the second part of the research, precise optical diagnostic techniques are successfully applied in the transparent valve to locally characterize the flow topology in a SRV experiencing cavitation. These results are innovative and enrich the experimental database available in the literature for the characterization and understanding of the flow physics in such devices. In a first configuration, high speed visualization is applied to observe qualitatively the flow pattern and the inception of liquid vaporization. Particle tracking results suggest that vapor bubbles are formed in the core of vortices detached from the shear layers attached to the valve. These rotational structures promote lower pressure regions allowing the liquid to vaporize. In the second configuration, particle image velocimetry is applied to extract the velocity field in both single phase and cavitating flow conditions. Results of PIV confirm the existence of a submerged jet just downstream the minimum section. This jet is characterized by two non-symmetric shear layers at its sides. Under cavitation conditions, PIV results confirm that vapor bubbles are formed preferentially inside the jet shear layers. The phenomenon of mass flux limitation caused by cavitation is reproduced at small openings of the valve and interaction with the flow topology is highlighted. It is observed that limitation of the flow occurs when the vena contracta is shifted towards the minimum geometrical section of the flow. Finally, instabilities of the flow downstream the critical section are investigated in the frequency domain by means of time resolved data. Results suggest that vortex shedding mechanism is dominated by a constant Strouhal number which is slightly affected by the valve opening. <p><p>In the last part of the research, the methodology used in water is extended and applied to cryogenic liquids. Two different geometries are investigated experimentally and numerically using water and liquid nitrogen as working fluids. Results suggest that both the flow coefficient (determined at single flow conditions), and the liquid recovery factor (used to identify choked flows), are independent on the fluid properties and therefore, an hydraulic similarity relation can be proposed.<p><p>This research project was carried out at the von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), in Belgium, in close collaboration and with the funding of Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) in France. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette recherche se focalise sur les problèmes d’instabilités de combustion hautes fréquences dans les moteurs fusées. Ces instabilités sont connues pour avoir des effets néfastes et peuvent, dans certains cas, causer la destruction du système propulsif. Pour éviter l’apparition de ces instabilités, il est important de connaître les mécanismes qui entretiennent ces phénomènes dynamiques et de comprendre le couplage complexe entre l’injection, la combustion et la résonnance acoustique du système. Ce travail comprend trois parties.La première partie traite de la simulation numérique de jets non-réactifs et réactifs soumis à différentes conditions de modulation afin de comprendre les interactions entre les jets, les flammes et leur environnement. Les calculs numériques de jets ronds non-réactifs ainsi que des flammes plus complexes formées par des injecteurs coaxiaux dans des conditions transcritiques ont été effectuées avec des simulations aux grandes échelles (SGE), adaptées aux conditions gaz réels à l’aide du solveur AVBP-RG. Les jets ronds ont été soumis à des fluctuations de vitesse transverse. Il a été trouvé que pour toutes les amplitudes et fréquences de modulation, le jet est déformé et oscille dans la direction transverse. Ce comportement peut être représenté par un modèle. Les flammes coaxiales ont été soumises à une modulation de débit et de pression. La modulation induit des variations du dégagement de chaleur global. Un modèle mathématique reliant les paramètres modulés au dégagement de chaleur est proposé.La seconde partie contient les travaux expérimentaux. Dans ce cadre, un nouveau banc expérimental a été développé pour l’étude de cavités couplées pressurisées (NPCC). Le couplage entre le plénum (ou dôme) et la chambre a été étudié. Un modèle reliant les fluctuations de pression et de vitesse en sortie des injecteurs a été développé et comparés aux données d’essais. Le banc NPCC a aussi été utilisé pour acquérir plus de connaissances sur le niveau d’amortissement. Les coefficients d’amortissement ont été déterminés.La dernière partie de ce document traite du développement d’un modèle ordre réduit qui représente des mécanismes qui entretiennent et amortissent les instabilités de combustion hautes fréquences. Cette description dynamique a été incorporée dans un code de stabilité haute fréquence (STAHF). Ce code a été utilisé pour étudier un moteur à ergols liquides d’une puissance de 87 MW (le banc BKD du DLR en Allemagne) qui présente des instabilités hautes fréquences. Après le recalage de certains paramètres de contrôle, STAHF a été capable de retrouver des résultats obtenus d’essais au DLR. / This research concerns some of the issues raised by high frequency combustion instabilities in rocket engines. These instabilities are known to have detrimental effects leading, in some cases, to the destruction of the propulsion system. To avoid the appearance of such instabilities it is important to gain an understanding of the processes driving such dynamical phenomena. One has to consider the complex coupling between injection, combustion and the acoustic resonances of the system. The present work contributes to this objective by developing three items.The first deals with numerical simulations of non-reactive and reactive jets submitted to different modulation conditions to understand the interaction between jets, flames and their environment. Numerical simulations of non-reactive round jets as well as more complex flames formed by coaxial injectors operating under transcritical conditions were carried out using large eddy simulation (LES) adapted to real gas situations by making use of the AVBP-RG flow solver. Round jets were submitted to transverse velocity fluctuations. It has been found that for all amplitudes and frequencies of modulation, the modulated jet is deformed and oscillates. This behavior can be represented by a model. The coaxial flames were submitted to mass flow rate and pressure modulation. For these cases it has been found that the modulation induces variations of the global heat release rate. A mathematical relationship between the modulated parameters and the heat release rate has been proposed.The second item includes experimental investigations. For this purpose a New Pressurized Coupled Cavities (NPCC) laboratory test rig has been developed. The possible coupling between the plenum and the thrust chamber was studied. A model, linking pressure and velocity fluctuations between the plenum and the thrust chamber, has been developed. The laboratory test rig was also used to gather some knowledge on the levels of damping and the damping coefficients could be determined.The last item of this document deals with the development of a reduced order dynamical model which includes some of the driving and damping mechanisms of high frequency combustion instabilities. This dynamical description was implemented in a high frequency stability code (STAHF). This code was used to examine a 87 MW liquid rocket engine (BKD operated at DLR, Germany) exhibiting high frequency oscillations. After the adjustment of some control parameters, STAHF was able to retrieve some the features observed in experiments carried out at DLR.

Les écoulements diphasiques jouent un rôle prépondérant dans les moteurs-fusées à ergols liquides cryogéniques, équipant par exemple les lanceurs de la famille Ariane. L'étude expérimentale de tels engins propulsifs étant complexe et onéreuse, disposer d'outils numériques à même de simuler fidèlement leur fonctionnement se révèle être un objectif aussi important qu'ambitieux. La difficulté majeure réside dans le caractère fortement multi-échelles du problème, si bien qu’aucune approche numérique existante n'est capable à elle seule de décrire parfaitement l'ensemble des échelles liquides. Partant de ce constat, les travaux présentés dans cette thèse visent à mettre en place une stratégie de couplage entre des modèles bien adaptés aux différentes topologies d'écoulement diphasique, et ce dans le cadre de la plateforme logicielle multi-physique CEDRE développée par l'ONERA. La démarche adoptée consiste précisément à coupler un modèle à interface diffuse de type ``4 équations'' pour les zones à phases séparées, et un modèle cinétique eulérien pour la phase dispersée, rendant ainsi possible la description de l’atomisation primaire. Par ailleurs, les conditions sévères qui règnent dans les moteurs cryotechniques, où de forts gradients de température, vitesse et densité sont rencontrés, mettent à l'épreuve la robustesse des méthodes numériques. Une nouvelle méthode MUSCL multipente pour maillages non structurés généraux a ainsi été développée, permettant d’améliorer la robustesse et la précision des schémas de discrétisation spatiale. L’ensemble de la stratégie de couplage est finalement appliquée à la simulation du banc Mascotte de l'ONERA pour la combustion cryotechnique. / Two-phase flows play a significant role for the proper functioning of cryogenic liquid-propellant rocketengines, such as those that equip the launchers of the Ariane family. Since the experimental investigationof such propulsion devices is complex and expensive, developing numerical tools able to accuratelysimulate their functioning, is a crucial but nonetheless ambitious objective. The major difficulty is due tothe multiscale nature of the problem, as a result of which there is currently no numerical approach ableto perfectly describe all the liquid scales on its own. Based on this observation the work presented in thisthesis aims at setting up a coupling strategy between models well-adapted to each two-phase flowtopology, in the framework of the ONERA’s multiphysics CEDRE software. The approach adoptedprecisely consists in coupling a 4-equation diffuse interface model for the separated phases and aeulerian kinetic model for the dispersed phase, thus making it possible to describe primary atomization.Besides, the harsh conditions within cryogenic rocket engines, where large temperature, velocity anddensity gradients are encountered, severely challenge the robustness of numerical methods. A newmultislope MUSCL method for general unstructured meshes is thus developed in order to improve therobustness and accuracy of space discretization schemes. The whole coupling strategy is finally appliedto the numerical simulation of the ONERA’s Mascotte test bench for cryogenic combustion research.