From small scale energy systems such as domestic boilers up to rocket motors, combustion chambers are often prone to combustion instabilities. These instabilities stem from the coupling of unsteady heat release rate and acoustic waves. This coupling is two sided: flame front perturbations generate acoustic waves while acoustic waves impinging on flame holders can disturb flames attached on them. Important pressure and velocity oscillations can be reached during unstable regimes, that can alter its efficiency or even damage the entire combustion chamber. One major challenge is to understand, predict, and prevent from these combustion instabilities. The objectives of this thesis are twofold: (1) take into account acoustic dissipation and (2)analyze flame/acoustic coupling to obtain Reduced Order Model (ROM) for combustion instabilities. This work is divided into three parts. First, the concept of ROM that gives the acoustic modes of a combustion chamber is introduced. This modeling strategy is based on the acoustic network theory and may take into account flame/acoustic coupling as well as acoustic dissipation. An efficient numerical algorithm dedicated to solve ROMs was designed on purpose and validated on several academical configurations. Second, an experimental rig was commissioned to study mean and acoustic pressure losses across a diaphragm and two swirl injectors. Results show that these two phenomena are linked and can be simply incorporated into ROMs. Finally, flame/acoustic coupling is investigated by using both direct numerical simulations and experiments: a lean premixed V-shaped laminar flame is anchored on a cylindrical bluff-body and we show that its temperature greatly influences the flame mean shape as well as its dynamics.

Ce travail de thèse rentre dans le cadre du développement de modèles multi‐échelles de simulation de colonne d’absorption gaz‐liquide pour des applications de captage de CO2 en vue d’optimiser leur design. Il est le fruit d’une collaboration entre IFP Énergies nouvelles et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Les colonnes à garnissages représentent une technologie essentielle aux applications d’absorption gaz‐liquide. Dans les procédés de captage de CO2 aux amines, le solvant liquide s’écoule sur les parois du garnissage, idéalement sous forme de film ruisselant mouillant toute la surface disponible, le gaz, en régime turbulent, venant le cisailler à contre‐courant de manière à promouvoir un transfert de CO2 de la phase gaz vers la phase liquide. Un écoulement le plus homogène possible permet d’avoir les meilleures performances de transfert. Toutefois, l’expérience montre que des maldistributions, notamment de la phase liquide, peuvent apparaître même en cas de bonnes distributions en entrée de colonne. La distribution du liquide est régie par un phénomène de « dispersion » dont l’étude et la modélisation représentent le principal objet de cette thèse. Pour ce faire, ce travail de thèse s’appuie sur des travaux expérimentaux, réalisés sur une installation d’IFPEN à Lyon, et sur des travaux numériques réalisés dans l’équipe Interface de l’IMFT. Le premier axe de l’étude abordé a ainsi consisté en l’acquisition de données originales de distribution de liquide en partant d’une configuration d’alimentation sous forme d’un jet central en tête de colonne et ce pour deux types de garnissages métalliques : un garnissage structuré, le Mellapak 250.X et un garnissage vrac, l’IMTP‐40. La méthode de tomographie gamma a été mise en œuvre afin de mesurer l’atténuation d’un flux photonique par le liquide en mouvement ce qui permet d’établir des cartes de rétention locale de liquide sur une section de colonne. Les profils de rétention résultants ont été ensuite exploités afin de caractériser la dispersion de liquide dans le système pour des régimes d’écoulement allant des plus faibles aux plus fortes interactions gaz‐liquide. Ces résultats ont permis de développer un modèle simple d’advection diffusion faisant appel à un paramètre hydrodynamique clé qui est le « coefficient de dispersion », qui reproduit bien l’étalement du jet de liquide. Dans le cas du garnissage Mellapak 250.X nous avons pu mettre en évidence une dispersion qui est régie essentiellement par la géométrie du milieu. Le cas du garnissage IMTP‐40 montre, lui, que la dispersion s’opère par des mécanismes plus complexes dus à la coexistence de plusieurs modes d’écoulement incluant des filets de liquide et des gouttes avec une forte sensibilité aux débits de liquide et de gaz. Le deuxième axe de l’étude a consisté à proposer et valider un modèle de simulation numérique de l’écoulement gaz‐liquide à contre‐courant permettant de retrouver ces phénomènes de dispersion. Un modèle Euler‐Euler offrant la possibilité de modéliser le système à une macroéchelle associé à une description du garnissage par un milieu poreux équivalent a été retenu. Les bases théoriques du modèle en question ont été investiguées et discutées et les différents termes à modéliser mis en évidence. Nous avons par la suite, en s’appuyant également sur des travaux antérieurs, identifié et discuté les principales propositions de modèles de fermeture du système d’équation de Navier‐stokes dans chacune des phases. Des simulations ont été effectuées sur la base de ce modèle en utilisant le code Fluent pour le cas particulier du garnissage structuré. Des résultats en bon accord avec l’expérience sont obtenus tant en termes de perte de charge que de rétentions locales. Les écarts en termes d’étalement du jet de liquide nous ont permis, pour leur part, de discuter le modèle de dispersion adopté, d’en dégager les limites et de proposer des améliorations à mettre en œuvre pour les travaux postérieurs. Enfin, et de manière indépendante, nous avons proposé une extension du modèle de frottement interfacial proposé par Iliuta et al. (2004) pour des régimes de fortes interactions entre phases permettant de mieux représenter l’écoulement et notamment de reproduire les courbes de perte de charge au‐delà du point de charge.

La croissance et le détachement des bulles formées sur une paroi par injection ou ébullition sont présents dans de nombreuses situationsindustrielles (les contacteurs gaz/liquide, les évaporateurs ou des dispositifs d’impression à jet d’encre). Dans la plupart des applications, les bulles grossissent dans un écoulement cisaillé ou au repos et la plupart des études visent à prévoir le rayon de détachement par une analyse de l’équilibre des forces. Ainsi, une bonne modélisation des forces capillaires et hydrodynamiques est nécessaire pour prédire correctement le rayonau détachement. Dans un premier temps, la croissance quasi-statique d’une bulle d’air formée sur la paroi d’une cuve et d’un canal rectangulaire est étudiée. Trois substrats différents sont utilisés pour observer l’influence des conditions de mouillage. La dynamique de la croissance de la bulle et le détachement sont alors enregistrés différentes configurations : canal horizontal, canal incliné, avec et sans écoulement liquide. Ensuite,le comportement des bulles de vapeurs en croissance sur une paroi en ébullition en vase et convective est étudié. Les expériences sonteffectuées en gravité terrestre et en microgravité dans un liquide sous-refroidi (HFE 7000) à basse pression (1-2bars). Des bulles de vapeurssont nuclées sur la paroi par l’intermédiaire d’un générateur de bulles. Ce dernier chauffe le liquide environnant au-dessus de sa température de saturation. Les bulles croient sur le site de nucléation dans un écoulement cisaillé et se détachent soit directement soit en glissant le long de la paroi. Une copie de la cellule d’essai appelée RUBI développée par l’ESA est implémentée dans le dispositif expérimental pour effectuer lespremières expériences en microgravité avant son lancement dans la station spatiale ISS. Toutes les acquisitions sont filmées à l’aide d’une caméra rapide et l’extraction du contour de la bulle est réalisée par traitement d’images. Différentes forces agissant sur une bulle sont calculées à partir des paramètres géométriques de la bulle. Un modèle prédictif de détachement de bulles est proposé. Enfin, un bilan thermique diphasique est effectué.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 53 réf.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [117]-122. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. 3e cycle--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1979. N°: 52.

Pour faire suite aux études entreprises sur les éléments fluidiques proportionnels et digitaux, et pour mieux caractériser les écoulements qui y ont lieu, nous avons étudié le coefficient de décharge d'un fluide à travers un orifice en régime d'écoulement dynamique. La dépendance de ce coefficient vis à vis de la fréquence et de l'amplitude du signal pneumatique et, plus généralement, de la variation de différence de pression de part et d'autre de l'orifice, est mise en évidence. Par ailleurs, puisque nous avons été amenés à les utiliser au cours de l'étude, nous décrivons un nouveau type de générateur d'ondes sinusoïdales, une méthode de calibration d'anémomètre à fil chaud, et une méthode de dépouillement par calculateur numérique des résultats expérimentaux.

Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / Le grand rapport surface/volume et la morphologie spéciale des nanofibres leur confèrent d'excellentes propriétés mécaniques, une capacité de transfert de chaleur et des caractéristiques électriques. Bien qu'il existe diverses techniques de fabrication conventionnelles pour produire des nanofibres, celles-ci souffrent généralement de plusieurs inconvénients, tels que de faibles taux de production, des restrictions sur les matériaux, des complexités de processus et des coûts de production élevés limitant la production de masse de nanofibres. La demande croissante de nanofibres, d'autre part, motive les efforts pour éliminer ces barrières, car ces matériaux trouvent de plus en plus d'applications dans les secteurs de l'énergie et de la santé, par exemple pour produire des nano-filtres à air et à eau, des capteurs, des batteries et des masques chirurgicaux de protection. La technique de filage centrifuge (CS) a récemment permis la fabrication de nanofibres, avec beaucoup moins de limitations. Dans le procédé CS, une solution / fusion de polymère est placée dans un réservoir à rotation rapide (également appelé lière) avec plusieurs buses, extrudant le polymère en fibres incurvées très fines et longues (ou jets incurvés) sous la force centrifuge ; ces jets fortement courbés se prolongent alors dans l'espace jusqu'à atterrir sur des collecteurs placés à l'écart du centre de rotation. En conséquence, de grands volumes de fibres polymères avec des diamètres moyens de quelques centaines de nanomètres sont produits. Le procédé CS est une technique alternative très prometteuse pour produire des nanofibres. Cependant, la compréhension, l'amélioration et l'optimisation du processus CS ont été limitées, principalement en raison de la présence de nombreux paramètres affectant la dynamique d'écoulement complexe du jet courbe, par exemple les forces de rotation (centrifuge et de Coriolis), inertielles, visqueuses, rhéofluifidiantes, élastiques, de tension superficielle et gravitationnelles, ainsi que les effets de diffusion de masse, de diffusion thermique, d'aérodynamique et de rapport de viscosité. Pour avoir un compréhension fondamental du processus CS, dans ce thèse de doctorat, nous considérons mathématiquement et expérimentalement les effets des paramètres susmentionnés sur la dynamique du jet courbe. Pour généraliser nos résultats, nous les présentons en termes de nombres adimensionals, y compris les nombres de Rossby (Rb), de Reynolds (Re), de Weber (We), de Froude (Fr), de Weissenberg ( Wi), de Péclet de polymère (Pe), de Péclet l'air (Pe*), et de Reynolds de l'air (Re*), ainsi que l'indice de loi de puissance (m), le rapport de viscosité (δₛ) et la position radiale du collecteur (R). Dans le Chapitre 1, nous développons un modèle général régularisé de fibres minces (string) pour prédire les effets des forces centrifuges, de Coriolis, d'inertie, visqueuses, de fluidification par cisaillement, de tension superficielle et gravitationnelles sur la trajectoire en régime permanent et l'amincissement du rayon de la fibre. Nous montrons que pour de grandes vitesses de rotation (petit Rb), le rayon de la fibre diminue rapidement sur de petites longueurs d'arc, ce qui devient plus prononcé lorsque Re et We augmentent ou que m diminue. En fin, nous constatons que la force gravitationnelle (quantifiée via Fr) n'affecte l'angle vertical de la fibre qu'aux petites longueurs d'arc. Dans le Chapitre 2, motivés par nos observations expérimentales, nous développons un modèle mathématique complet pour la formation de nanofibres dans le processus CS, mais pour les fluides newtoniens. Par rapport au chapitre précédent, notre modèle inclut des paramètres supplémentaires, tels que la diffusion de masse dans le jet, la diffusion de masse dans l'air et les effets aérodynamiques. Nos résultats, y compris la comparaison avec les expériences, révèlent que les effets aérodynamiques doivent être pris en compte pour permettre une prédiction correcte de la trajectoire et du rayon du jet. Augmenter Re*, Re et R conduit à un jet plus long. La diminution de We force le jet à s'enrouler plus étroitement autour de la filière, mais cela montre des effets insignifiants sur l'évaporation du solvant. Les changements de Pe et Pe* n'affectent pas de manière significative la trajectoire du jet. Dans le Chapitre 3, nous étendons notre travail pour développer un modèle mathématique intégré supérieur, qui peut également tenir compte de la dynamique transitoire de la fibre. Notre modèle nous permet d'analyser les paramètres d'écoulement critiques couvrant une large gamme, en incorporant les équations de moment cinétique, le modèle constitutif viscoélastique de Giesekus, les effets de traînée air-fibre et l'équation d'énergie dans les équations du modèle. En utilisant le modèle, nous pouvons analyser le comportement dynamique des jets de polymère fondu/solution. Nous constatons que la rhéologie non linéaire affecte remarquablement la trajectoire, le rayon et les contraintes normales des fibres. L'augmentation de Wi conduit à une fibre plus épaisse, tandis que l'augmentation de δₛ montre une tendance opposée. De plus, en augmentant Wi, la courbure de la fibre est améliorée, amenant la fibre à se rapprocher du centre de rotation. Le Chapitre 4 combine en outre expériences et modélisation. Dans nos expériences, nous obtenons les données expérimentales à l'aide d'une combinaison unique d'outils : ceux-ci incluent notre dispositif CS interne, des caractérisations de rhéométrie et des tests au microscope électronique à balayage. Nos expériences sont couplées et apportent des validations à un puissant modèle mathématique, développé sur la base des équations constitutives viscoélastiques du modèle de Maxwell convecté supérieur. Cela nous permet d'examiner le processus CS en fonction des paramètres qui sont généralement importants dans les expériences à l'échelle du laboratoire, notamment la concentration en polymère, la vitesse de rotation, le diamètre de la buse, le rayon de la filière et l'angle de la buse.