Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 365.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Lille 1, 1977. N°: 646.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 150.

Cette thèse vise l’étude des écoulement de déplacement de fluides miscibles à l’intérieur d’un long tuyau stationnaire vertical et d’un tuyau en mouvement. Concernant la géométrie des mouvements, le tuyau oscille comme un pendule inversé avec une fréquence maximale faible, c’est-à-dire, ˆf= 0.2(Hz) et une oscillation maximale de faible amplitude, soit 15 (◦) par rapport à l’axe du tuyau. Les écoulement de déplacement se produisent à un nombre de Péclet élevé et aux petits nombres d’Atwood. L’accent est mis sur les types de fluides et de géométries (tuyau fixe ou en mouvement). Les approches expérimentales détaillées sont utilisées de manière intégrée. Dans cette thèse, la configuration de densité est la densité instable. La majeure partie des travaux en cours se concentre sur les écoulements de déplacement de fluides Newtoniens isovisqueux, mais nous étudions également l’écoulement de déplacement à contrainte au seuil de plasticité dans un long tuyau vertical. Pour un écoulement de déplacement Newtonien isovisqueux dans un tuyau stationnaire, nous remarquons un effet stabilisant imposé au débit principal et signalant l’existence de deux régimes d’écoulement principaux à long moment introduits par un écoulement de déplacement stable et un écoulement de déplacement instable. La transition entre ces deux régimes se produit à un nombre critique de Reynolds modifié (Ret / This thesis aims to investigate buoyant displacement flows of miscible fluids in a long, vertical stationary pipe or a moving pipe. For the case of the moving geometry, the pipe oscillates like an inverted pendulum with a small maximum frequency, i.e.ˆf= 0.2(Hz) and a small maximum oscillation amplitude, i.e. 15 (◦) with respect to the pipe axis. The displacement flows occur at the high Péclet number and small Atwood numbers. The focus is on the type of fluids and geometries (stationary or moving pipe). Detailed experimental approaches are employed in an integrated fashion. The density configuration in this thesis is the density unstable. The main part of the current work is concentrated on displacement flows of iso-viscous Newtonian fluids. We also study the yield stress displacement flow in a long vertical pipe. For iso-viscous Newtonian displacement flow in a stationary pipe, we uncover the stabilizing effect of the mean imposed flow and report the existence of two main flow regimes at long times introduced as a stable displacement flow and an unstable displacement flow. The transition between these two regimes occurs at a critical modified Reynolds number (Ret

Ce projet de maîtrise vise à faire une caractérisation préliminaire de l'écoulement d'une turbine Francis de moyenne chute au régime sans charge dans le cadre du projet Tr-Francis au Laboratoire de machines hydrauliques. Concrètement, le projet a validé la méthodologie numérique utilisée à l'aide de mesures expérimentales préliminaires. De plus, les simulations numérique sont permis de fournir les chargements fluides afin que des simulations structurelles puissent être réalisées. Finalement, les résultats ont permis de cibler les structures dominantes dans l'écoulement qui causent les plus importantes fluctuations de pression et ainsi aider l'équipe expérimentale à positionner les capteurs de pression et à choisir leurs plans de mesures. Pour y arriver, la méthodologie est basée sur des interpolations de mesures effectuées par Hydro-Québec au régime sans charge sur le prototype. Les données sont prises telles quelles pour les simulations effectuées à l'échelle prototype et elles sont mise à l'échelle grâce aux lois de similitude de la norme IEC 60193 pour les simulations à l'échelle modèle. L'effet des conditions d'entrée dans le domaine est étudié sur des domaines partiels avec des maillages de différentes densités ainsi que sur le domaine complet. Les pressions obtenues numériquement dans l'aspirateur sont comparées aux mesures expérimentales préliminaires et les résultats sont concordants. De plus, les poches de cavitations observées numériquement au bord de fuite remontant sur le côté pression des aubes sont, de plus, confirmées par l'expérimentation. Des analyses fréquentielles à partir des signaux de pression sont utilisées dans ce projet afin de caractériser les phénomènes. En plus d'utiliser différentes méthodes de visualisation numériques afin d'isoler et d'analyser les structures principales dans l'écoulement. Imposer un profil de vitesse uniforme comparativement à un profil de vitesse tiré de simulations de la bâche et de la conduite d'amenée ne modifie pas les résultats significativement à l'échelle modèle avec le maillage le plus fin. Lors des simulations avec le domaine complet, plusieurs phénomènes d'importances ont été observés. Notamment des tourbillons inter-aubes, qui ont une modulation à f/n = 1, une importante zone de recirculation dans l'aspirateur qui remonte jusque dans la roue, des tourbillons à l'interface entre la roue et l'aspirateur qui se développent dans la couche cisaillée, un débalancement de l'aspirateur causé par le coude ainsi qu'une zone cavitante au bord de fuite. / This thesis presents the preliminary characterization of the flow in a medium head Francis turbine at speed no-load within the scope of the Tr-Francis project at the Hydraulic Machinery. Laboratory. Concretely, the project aims at validating the numerical methodology used with preliminary experimental measurements. Moreover, the numerical simulations will provide the fluid load for the FEA simulations. Ultimately, the results will allow identifying the dominant structures in the flow causing important fluctuations. Thus helping the experimental team to find the optimal location for the pressure sensors and the measuring planes. To do so, the numerical methodology is based on the measurements interpolation performed by Hydro-Québec on the prototype turbine at speed no-load. The data are applied, as they are, as the initial conditions for the prototype scale simulations. For the model scale simulations, they are scaled down using the similitude laws from the IEC 60193 standard. The effects of the inlet conditions are studied on partial domains with different mesh densities as well as on the complete domain. To validate the simulations, the pressure measurements obtained numerically in the draft tube are compared with the preliminary measurements and the results are in good agreement. Furthermore, the trailing edge cavitation observed numerically is also visible in experimental flow visualizations. Spectral analyses of pressure signals are used to help to characterize the phenomena. Different numerical visualization techniques are also used to isolate and analyse the main flow structures. Imposing a uniform velocity profile compared to the one obtained from the penstock and spiral case simulation does not significantly affect the results at model scale with the finest grid. Many important phenomena such as modulated inter-blades vortices, an important backflow region in the draft tube coming up to the runner, vortices generated in the draft tube in the shear layer, static pressure imbalance in the draft tube caused by the elbow and trailing blade cavitation were observed on the complete domain model scale simulations.

Dans un contexte où la demande en électricité varie fréquemment et que l'utilisation de production d'électricité intermittente telle que l'éolien et le solaire est privilégiée, il est nécessaire d'avoir un moyen de production pour stabiliser le réseau. L'hydroélectricité est une option attirante puisqu'elle est renouvelable et a un temps de réponse au changement très rapide. Cette stabilisation entraîne cependant une augmentation drastique d'arrêts et départs des turbines hydrauliques, ce qui a un effet néfaste sur la durée de vie. En effet, d'importantes contraintes ont été observées lors du démarrage de certaines turbines, sans pour autant que soit comprise l'origine de cet effet. Afin d'améliorer notre compréhension sur la dynamique de la turbine en démarrage, des mesures expérimentales sur modèle réduit en laboratoire sont essentielles. Cette thèse présente l'évolution du comportement dynamique de l'écoulement lors de différentes séquences de démarrage sur le modèle réduit d'une turbine bulbe. Les bancs d'essai en circuit fermé comme celui installé au laboratoire de machines hydrauliques (LAMH) ne permettent pas en général de conserver constante la chute d'essai pour des phénomènes transitoires comme un démarrage. Cette recherche propose donc une méthode ingénieuse pour surmonter ce problème. Afin d'obtenir des conditions similaires aux turbines prototypes, les caractéristiques d'ouverture des directrices (angle finale, vitesse d'ouverture) ont du être adaptées. Basées sur une analyse dimensionnelle, elles sont déterminées pour évaluer l'effet de la vitesse d'ouverture des directrices sous une chute constante. L'ouverture finale des directrices est déterminée pour atteindre une vitesse unitaire choisie pour le modèle. Les trois vitesses d'ouverture sélectionnées représentent, toutes proportions gardées, ce qui peut être observé sur des prototypes. Cette étude propose également une technique innovante pour obtenir l'évolution du débit au cours du démarrage à l'aide d'un système de vélocimétrie par image de particules résolu dans le temps. L'évolution des quantités globales de la turbine, telles que le couple et le débit, est différente pour les basses et la haute vitesses d'ouverture. Un certain degré d'universalité est observé sur les nombres sans dimension pour les deux faibles vitesses d'ouverture. Pour la haute vitesse, l'écoulement semble avoir de la difficulté à suivre l'évolution du schéma d'ouverture des directrices. D'autre part, l'analyse du champ de pression sur les pales lors de la phase d'accélération de la roue montre que la roue opère comme une turbine à impulsion jusqu'à ce que le couple atteigne sa valeur maximale. Même si la machine réagit davantage comme une turbine à réaction par la suite, des phénomènes locaux apparaissent et entraînent la formation de structures importantes dans la roue, comme par exemple un écoulement de retour. Lorsque la turbine atteint le régime sans charge, à la fin de l'ouverture, la roue tourne à la vitesse unitaire choisie. Dans ces conditions, deux phénomènes sous-synchrones et des tourbillons inter-aubes sont présents. Ces phénomènes sous-synchrones sont constitués de une ou deux structures tournant autour de l'axe de la roue, en alternance apparemment aléatoire. Ce caractère bistable influence le champ de pression sur les pales dont l'évolution dépend des structures présentes. De plus, l'intensité des tourbillons inter-aubes qui apparaissent lorsque le couple atteint sa valeur maximale est également influencée par ces phénomènes. / In a context where the electricity consumption varies frequently and the use of intermittent power generation such as wind and solar is trendy, it is necessary to have a means of generation to stabilize the grid. Hydropower is an attractive option because it is renewable and has a very fast response time to load variation. However, the use of hydraulic turbines to stabilize the grid leads to a drastic increase in their stops and startups, which has a critical effect on the lifetime of the runner. Indeed, significant stresses have been observed during the start-up of some turbines, without understanding where this effect comes from. In order to improve our understanding of the dynamics of the turbine during start-up, experimental measurements on scale models in a laboratory are essential. This thesis presents the evolution of the dynamic behaviour of the flow during different startup sequences on a model scale bulb turbine. Closed-loop test benches such as the one at Laval University's LAMH are interesting because they allow experimental analyses to be undertaken on a wide range of turbines while being compact. However, they do not generally allow to keep the pressure head constant for transient phenomena such as start-up. This study proposes a first attempt to study the transient regime of start-up on this type of test bench. In order to obtain conditions similar to prototype turbines, the opening characteristics of the guide vanes (final angle, opening speed) had to be adapted. Based on a dimensional analysis, the characteristics of the experiment are determined in order to evaluate the effect of the opening speed of the guide vanes under a constant pressure head. The final opening of the guide vanes is determined in order to reach a unit speed chosen for the model. The three selected opening speeds represent, in all proportions, what can be observed on prototypes. This study also proposes an innovative technique to obtain the evolution of the flow rate during start-up using a time-resolved particle image velocimetry system. The turbine shows a different behavior between the two lowest opening speeds and the high opening speeds. The global turbine quantities such as torque and flow rate have different evolutions. A certain degree of universality is observed on the dimensionless numbers for the two lowest opening speeds. For the high speed, the flow seems to have difficulty to follow the evolution of the opening sequence of the guide vanes. In addition to the study on the global quantities of the turbine, the analysis of the pressure field on the blades during the acceleration phase of the runner presents some interesting characteristics. It shows that the runner operates like an impulse turbine until the torque reaches its maximum value. Even if the machine works more like a reaction turbine afterwards, local phenomena occur which lead to the formation of important structures in the runner, such as a return flow. When the turbine reaches speed no-load regime, at the end of the opening, the runner rotates at the selected unit speed. Under these conditions, two sub-synchronous phenomena and inter-blade vortices are present. These sub-synchronous phenomena are made up of one or two structures rotating around the axis of the runner, in apparently random alternation. This bistable character influences the pressure field on the blades whose evolution depends on the structures present. In addition, the intensity of the inter-blade vortices that appear when the torque reaches its maximum value is also influenced by these phenomena.

Les écoulements à déplacement se produisent fréquemment dans les applications naturelles et industrielles. Bien que les déplacements Newtoniens aient été pris en considération dans une grande variété d’études théoriques et expérimentales dans les dernières décennies, un nombre considérable de fluides pratiques présentent des caractéristiques viscoplastiques, rendant la prévision du comportement des écoulements plus difficile. Les écoulement de déplacement viscoplastiques sont généralement contrôlés par un équilibre entre diverses forces, y compris la force visqueuse, la force de flottabilité, la force d’inertie, contrainte d’écoulement, etc., en plus de caractéristiques miscibles et non miscibles. Une compétition entre ces forces peut conduire à des comportements imprévisibles et exotiques de déplacement. Permettant une compréhension approfondie de ces écoulements, dans cette thèse de doctorat nous avons étudié l’écoulement à déplacement d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans une géométrie simple, c.-à-d. un canal étroit et confiné. Dans la première partie de cette thèse (chapitres 1 à 3), nous étudions expérimentalement les écoulements à déplacement non-miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien. En particulier, nous analysons le mouvement d’air dans un gel de Carbopol, dans une cellule de Hele-Shaw de section rectangulaire. Cette géométrie est composée de deux plaques parallèles rigides. Nous étudions les résultats en termes d’efficacité de déplacement et de morphologie des modèles d’écoulement. Nous démontrons que les comportements complexes du gel Carbopol, c.-à-d. les fortes propriétés viscoplastiques et les faibles propriétés viscoélastiques, affectent les caractéristiques d’écoulement de déplacement. Ensuite, nous étendons cette étude au déplacement d’un gel de Carbopol par une huile de silicone afin de considérer les effets de la mouillabilité sur l’écoulement. Nous observons qu’une combinaison de comportements viscoplastiques et de mouillabilité exerce un impact significatif sur les modèles d’écoulement à déplacement, pour lesquels quatre régimes d’écoulement différents sont identifiés : un régime capillaire, un régime de contrainte d’écoulement, un régime visqueux et un régime élastoinertiel. Enfin, nous étudions les impacts du rapport d’aspect de la section transversale de la cellule sur les caractéristiques de déplacement viscoplastique. Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4 à 5), nous étudions numériquement les écoulements à déplacement miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans un long canal plan 2D. Pour un déplacement «heavy-light», l’analyse des modèles d’écoulement en fonction de divers paramètres sans dimension nous permet d’identifier trois régimes d’écoulement distincts : déplacements «center-type»/«slump- type», «back flow»/«no-back flow» et déplacement «stable/instable». Nous décrivons les effets du rapport de viscosité des fluides, de la flottabilité, de la contrainte d’écoulement et de l’inclinaison du canal sur les régimes d’écoulement susmentionnés. / Displacement flows frequently occur in natural and industrial applications. Although Newtonian displacements have been considered in a wide range of theoretical and experimental studies in the recent decades, a considerable number of practical fluids exhibit viscoplastic features, making it hard to predict the flow behaviors. Viscoplastic displacement flows are generally controlled by a balance between a variety of forces, including viscous, buoyant, inertial, yield stress, etc., in addition to miscible and immiscible features. A competition between these forces may lead to exotic, unpredictable displacement flow behaviors. To provide a deep understanding of these flows, in this Ph.D. thesis we investigate the displacement flow of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a simple flow geometry, i.e., a narrow confined channel. In the first part of this thesis (Chapters 1-3), we experimentally study immiscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid. In particular, we analyze the invasion of air into a Carbopol gel in a rectangular cross-section Hele-Shaw cell. This flow geometry is composed of two rigid parallel plates with a small gap. We study the results in terms of the displacement efficiency and morphology of the flow patterns. We demonstrate that the complex behaviors of the Carbopol gel, i.e., strong viscoplastic properties and weak viscoelastic properties, affect the displacement flow features. We then extend this study to the displacement of a Carbopol gel by silicon oil in order to consider the effects of wettability on the flow. We observe that a combination of viscoplastic behaviors and wettability exerts a significant impact on the displacement flow patterns, for which four different flow regimes are identified a capillary regime, a yield stress regime, a viscous regime and an elasto-inertial regime. Finally, we investigate the impacts of the cell cross-section aspect ratio on viscoplastic displacement flow features. In the second part of this thesis (Chapters 4-5), we numerically study miscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a long 2D plane channel. For a heavy-light displacement, analyzing the displacement flow patterns as a function of various dimensionless parameters allows us to identify three distinct flow regimes center/slump-type, back/no-backflow and stable/unstable displacements. We describe the effects of the viscosity ratio of fluids, buoyancy, yield stress and channel inclination on the aforementioned flow regimes.

En utilisant une approche principalement expérimentale, cette thèse de doctorat étudie les écoulements de déplacement miscibles flottants dans les tuyaux à rotation axiale, un sujet fondamental de la mécanique des fluides qui est également motivé par le processus de cimentation dans les constructions de puits de pétrole et de gaz. Une partie du processus de cimentation consiste à pomper un fluide lourd dans un tuyau pour éliminer/déplacer un fluide léger in situ. Nous émettons l’hypothèse qu’une rotation axiale du tuyau peut être utilisée pour améliorer le processus de déplacement, bien que sans résultats expérimentaux en laboratoire pour soutenir cette croyance. Dans ce contexte, ce travail analyse systématiquement les effets d’une rotation axiale du tuyau sur les flux de déplacement miscibles flottants en présence de la différence de densité (flottabilité), de l’angle d’inclinaison du tuyau, de la vitesse d’écoulement imposée et de la contrainte de déformation plastique du fluide déplacé. Le chapitre 1 étudie les effets de la rotation axiale du tuyau sur nos écoulements flottants en l’absence de la vitesse d’écoulement imposée (c’est-à-dire une configuration d’écoulement d’échange). Les deux fluides considérés sont iso-visqueux et newtoniens, mais ils ont une petite différence de densité. Les angles d’inclinaison des tuyaux intermédiaires sont pris en compte. Comme les deux fluides s’interpénètrent, notre objectif est de quantifier les effets de la vitesse de rotation des tuyaux sur la dynamique du front d’interpénétration, pour lesquels plusieurs corrélations empiriques sont proposées. Il s’agit notamment des corrélations pour la vitesse du front, la longueur de propagation du front et le temps de propagation du front. Les deux derniers concernent la situation où l’interpénétration des fluides s’arrête finalement lorsque la vitesse de rotation du tuyau devient importante. Le chapitre 2 étend les résultats du flux d’échange flottant du chapitre 1 à une configuration de flux de déplacement où il existe un flux imposé. Les deux fluides sont newtoniens. Un front d’attaque et un front de fuite sont observés dans le flux de déplacement. Fait intéressant, le mouvement du front arrière est fortement affecté par la vitesse de rotation. Ici, l’accent est mis sur la quantification des effets de la vitesse de rotation du tuyau sur les vitesses frontales avant et arrière. Le signe de la vitesse du front de fuite aide à classer les régimes d’écoulement en régimes d’élimination inefficaces et efficaces, pour lesquels la transition peut être justifiée en utilisant un équilibre entre l’inertie imposée, la flottabilité et les forces de rotation. iii En considérant une contrainte de déformation plastique dans le fluide déplacé, le chapitre 3 ajoute un autre paramètre à notre système d’écoulement. Ici, le déplacement d’un fluide viscoplastique (un gel de Carbopol) par un fluide newtonien dans des tuyaux à rotation axiale est étudié. Les comportements d’écoulement en termes de dynamique du front et de schémas d’écoulement sont considérés. Les effets de la rotation des tuyaux sur les vitesses frontales avant et arrière sont quantifiés. Enfin, les déplacements viscoplastiques sont comparés qualitativement et quantitativement à leurs homologues newtoniens, montrant que la contrainte de déformation plastique a un effet négligeable sur la classification du régime. / Through a mainly experimental approach, this Ph.D. thesis studies buoyant miscible displacement flows in axially rotating pipes, a fundamental fluid mechanics topic that is also motivated by the cementing process in oil and gas well constructions. A part of the cementing process involves pumping a heavy fluid into a pipe to remove/displace an in-situ light fluid. It is believed that an axial rotation of the pipe can be used to enhance the displacement process, albeit without laboratory experimental results to support this belief. In this context, this work systematically analyzes the effects of an axial rotation of the pipe on buoyant miscible displacement flows in the presence of the density difference (buoyancy), the pipe inclination angle, the imposed flow velocity and the yield stress of the displaced fluid. Chapter 1 investigates the effects of the axial rotation of the pipe on buoyant flows in the absence of the imposed flow velocity (i.e. an exchange flow configuration). The two fluids considered are iso-viscous and Newtonian, but they have a small density difference. Intermediate pipe inclination angles are considered. As the two fluids interpenetrate, our focus is to quantify the effects of the pipe rotation speed on the interpenetration front dynamics, for which several empirical correlations are proposed. These include correlations for the front velocity, the front propagation length, and the front propagation time. The two latter concern the situation where the interpenetration of the fluids eventually stops as the pipe rotation speed becomes large. Chapter 2 extends the buoyant exchange flow results of Chapter 1 to a displacement flow configuration where there exists an imposed flow. The two fluids are Newtonian. A leading front and a trailing front are observed in the displacement flow. Interestingly, the motion of the trailing front is highly affected by the rotation speed. Here, the focus is on quantifying the effects of the pipe rotation speed on the leading and trailing front velocities. The sign of the trailing front velocity helps to classify the flow regimes into inefficient and efficient removal regimes. The transition of these two regimes can be justified using a balance among imposed inertia, buoyancy and rotational forces. By considering a yield stress in the displaced fluid, Chapter 3 adds another flow parameter to our flow system. Here, the displacement of a viscoplastic fluid (i.e. a Carbopol gel) by a Newtonian fluid in axially rotating pipes is studied. The flow behaviours in terms of the front v dynamics and flow patterns are considered. The effects of the pipe rotation on the leading and trailing front velocities are quantified. Finally, the viscoplastic displacements are qualitatively and quantitatively compared against their Newtonian counterparts, showing that the yield stress has a negligible effect on the regime classification.