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

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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle. / This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Cette thèse de doctorat étudie le transport de fluides viscoplastiques à travers des canaux dotés de parois superhydrophobes striées, en utilisant une approche de modélisation complète et des simulations numériques. L'objectif est de comprendre les interactions entre le fluide viscoplastique et la surface superhydrophobe, et d'identifier les facteurs qui influencent le comportement de l'écoulement. On suppose que les rainures emprisonnent des poches d'air à la surface superhydrophobe, maintenant l'interface liquide/air plate et fixée aux bords des rainures, ce qui entraîne une condition de glissement-collage. L'analyse est complète, couvrant à la fois les régimes de fluage et inertiel dans les limites des canaux épais et minces. En particulier, six paramètres, notamment le nombre de Reynolds (R), le nombre de Bingham (B), le nombre de glissement (b), la longueur de périodicité des rainures (ℓ), la fraction de zone de glissement (φ), et l'angle d'orientation des rainures (θ), sont pris en compte. Ensuite, les effets de ces paramètres sont analysés sur les variables d'écoulement d'intérêt, telles que le champ de perturbation, le champ de vitesse, la magnitude du taux de déformation, les zones de bouchon non cédées, la longueur de glissement effective, le facteur de frottement, l'asymétrie de l'écoulement, le mélange, et les classifications de régime. Dans les canaux épais (ℓ ≪ 1) avec des rainures transversales (θ = 90°), l'augmentation de B et de b entraîne une croissance des champs de perturbation et de glissement, qui deviennent asymétriques en augmentant R. Dans certaines conditions d'écoulement, le bouchon central se rompt ou une zone de bouchon non cédée peut se former à l'interface liquide/air de la paroi superhydrophobe, ce qui nous permet de classifier les régimes d'écoulement. Dans les canaux minces (ℓ ≫ 1), l'augmentation de b ou de θ entraîne la déformation du bouchon central non cédé, sauf pour les écoulements avec des rainures longitudinales (θ = 0). Pour les rainures obliques (0 < θ < 90°), un écoulement secondaire apparaît, déclenchant le mélange de l'écoulement. Enfin, l'analyse de stabilité linéaire de la condition de glissement homogène (φ = 1) révèle les effets stabilisants/déstabilisants des conditions de glissement dans le sens du courant/transversales. / This Ph.D. thesis investigates the transport of viscoplastic fluids through channels with grooved superhydrophobic (SH) walls, using a comprehensive modeling approach and numerical simulations. The goal is to understand the interactions between the viscoplastic fluid and the superhydrophobic surface and identify factors that influence the flow behaviour. It is assumed that the grooves trap air pockets on the SH surface, keeping the liquid/air interface flat and pinned at the groove edges, resulting in a slip-stick condition. The analysis is comprehensive, covering both creeping and inertial regimes in thick and thin channel limits. In particular, six parameters, including the Reynolds number (R), Bingham number (B), slip number (b), groove periodicity length (ℓ), slip area fraction (φ), and groove orientation angle (θ), are considered. Subsequently, the effects of these parameters are analyzed on the flow variables of interest, such as the perturbation field, velocity field, strain-rate magnitude, unyielded plug zones, effective slip length, friction factor, flow asymmetry, mixing, and regime classifications. In thick channels (ℓ ≪ 1) with transverse grooves (θ = 90°), increasing B and b leads to growing the perturbation and slip velocity fields, which become asymmetric by increasing R. Under certain flow conditions, the center plug breaks or an unyielded plug zone can form on the SH wall liquid/air interface, allowing us to classify the flow regimes. In thin channels (ℓ ≫ 1), increasing either b or θ causes the the unyielded center plug to deform and eventually break, except for flows with longitudinal grooves (θ = 0). For the oblique grooves (0 < θ < 90°), a secondary flow appears, triggering flow mixing. Finally, the linear stability analysis of the homogeneous slip condition (φ = 1) reveals stabilizing/destabilizing effects of the streamwise/spanwise slip conditions.

Ce mémoire de maîtrise en milieu industriel présente les travaux réalisés chez Maya Heat Transfer Technologies afin d'implémenter la technique de la simulation des grandes échelles dans le solveur de dynamique des fluides parallèle NIECE. Les modèles de sous-maille [sic] algébriques de Smagorinsky, WALE (Wale Adapting Local Eddy-Viscosity) et le modèle de Vreman ont été retenus et validés.Ce projet de maîtrise se divise [entre] quatre volets. La première partie présente l'implémentation et l'analyse d'un nouveau schéma de discrétisation spatial et temporel dans le contexte d'un algorithme de résolution des équations de Navier-Stokes par une approche mixte [de] volumes éléments finis sur maillage non structuré. Une étude comparative sur la stabilité, la diffusion et [la] dipersion [sic] numérique des nouveaux schémas et ceux déjà existants dans le code permet d'identifier le schéma centré de second ordre en espace, couplé au schéma de Crank-Nicolson en temps comme un compromis adéquat pour la simulation des grandes échelles dans un contexte industriel. Le second volet détaille les résulats [i.e. résultats] de la simulation de la décroissance d'une turbulence homogène isotrope. La décroissance des spectres d'énergie est présentée pour chacun des modèles de sous-maille, puis comparée à la solution sans modèle. L'effet du raffinement du maillage est investigué.Ce volet détaille également l'implémentation et la validation de l'algorithme permettant l'initialisation d'une turbulence isotrope incompressible. Une discussion sur les formulations analytiques des spectres d'énergie de Passot-Pouquet et de von Karman-Pao est finalement présentée. Le problème de la répresentation [i.e. représentation] de l'écoulement à l'entrée du domaine de calcul est ensuite abordé.Ce troisième volet détaille la méthode de génération de turbulence, appelée méthode des tourbillons synthétiques, servant à générer un champ de vitesse cohérent et représentatif d'une turbulence réelle. Une étude de l'influence des paramètres numériques de la méthode permet de dériver un critère automatique de sélection pour l'utilisateur. Pour terminer, une étude comparative de la méthode des tourbillons synthétiques à une méthode d'injection aléatoire est présentée. En dernier lieu, la réalisation du cas de validation du canal plan périodique permet d'investiguer la capacité du code à simuler les propriétés d'une turbulence cisaillée. Les résultats des modèles de sous-maille sont comparés au cas sans modèle de turbulence. L'effet du raffinement du maillage est étudié sur trois différentes grilles. Les statistiques de premier ordre (profil de vitesse moyenne) et les satistiques [i.e. statistiques] de second ordre (profils des composantes du tenseur de Reynolds) sont détaillées et analysées. Finalement, la contribution de l'énergie cinétique résolue et de l'énergie de sous-maille permet de quantifier la contribution des modèles de turbulence sur la solution.

The origin of this PhD thesis lies in the study of Ebullated Bed Reactors (EBRs). These chemical reactors are very active research topics in chemical processes, notably thanks to their usage in heavy oil processing. Many complex phenomena take place within EBRs, and make their design and optimization difficult. In fluid mechanics, a lot of physical mechanisms present in EBRs are active fields of study (three-phase flow, fluid-body interaction...). Hence, in the present work, a study of the mechanisms participating in the hydrodynamics of an EBR with cylindrical catalysts is performed. In a first part, the impact of the catalyst anisotropy on its fall is investigated. In order to gain insight on the effect of the body anisotropy on its fall dynamics, we investigate experimentally the free fall of a solid cylinder in a fluid at rest. The sensitivity to two dimensionless parameters, the Archimedes number (Ar) and the aspect ratio of the cylinder (L/d) is examined. Experiments are conducted with two orthogonal cameras, and advanced image processing techniques are developed in order to measure the position and orientation of the cylinder in 3D. Within the range of parameters studied (200 < Ar < 1100, 2 < L/d < 20), the cylinders adopt different types of falling motion. Two main types of paths are observed, the first one is a rectilinear fall of the cylinder that keeps its axis horizontal, and the second one is a fluttering oscillatory motion. Other more complex types of motion are observed and discussed. The fluttering motion of the cylinder is analyzed in details. On top of the study of the body motion, the cylinder wake is also visualized and characterized. A large number of particles are present at the same time inside an EBRs (about 40% of the mass). Interactions between multiple objects have a strong impact on the motion of each individual particle, but are very complex. In a first approximation, we take into account the presence of numerous particles by introducing a confined medium. We study experimentally the fall of a single cylinder in a confined vertical thin-gap cell, where the cylinders are free to move in only two directions. The cylinder elongation ratio (3<L/d<40) and density ratio ( c / f = 1.16, 2.70, 4.50) are the two parameters of interest. The Archimedes number of the cylinder lies within the same range as in the unconfined medium, and the two main modes of motion of the cylinder are a rectilinear motion, and a fluttering one. However, for the same parameters (Ar,L/d), the motion of the cylinder in the confined cell is strongly different in form to that in the unconfined medium. We also studied the interaction between a freely falling cylinder and a rising swarm of bubbles. This investigation was performed experimentally, in the confined cell used in the second part. Cylinders of various density ratio ( c / f = 1.16, 2.70, 4.50) and elongation ratio (3<L/d<20) are released in a bubble swarm of gas volume fraction between 2% and 5%. The cylinder motion is greatly modified by the bubble swarm. Several mechanisms of interaction between the cylinder and the bubbles are identified (direct contact, interactions with fluid perturbations...), and their effect is characterized. We perform a statistical analysis of the cylinder motion in the swarm, and compare it to results in the confined fluid at rest. The cylinder density ratio and elongation ratio both play an important role in its motion in the bubble swarm. Conditional statistics allow us to further investigate the effect of the contact between the cylinder and a bubble, and of the cylinder orientation in the swarm. Finally, the dispersion of the cylinder motion in the swarm is characterized. A major effect of the bubble swarm is to increase, through bubble-cylinder contacts, the probability of the cylinder to be in nearly vertical orientations. This drastically changes the kinematics of the cylinder as compared to its motion in the fluid at rest

In this thesis, we discuss some physical phenomena related to the manipulation of droplets, and their possible use as alternatives for digital microfluidics. In a first part, the behavior of droplets in the vicinity of another liquid interface is explored. We have shown that droplets can be kept bouncing onto a liquid interface, provided this latter is vertically vibrated. The bouncing mechanisms are investigated in several configurations. Bouncing droplets may also experience self-propulsion and partial coalescence. The second part of this thesis is dedicated to the study of droplets sliding down fibers. The basic microfluidic operations are advantageously implemented with simple fiber networks. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs phénomènes physiques liés à la manipulation des gouttes et à leur application possible en temps qu'alternatives à la microfluidique digitale actuelle. La première partie est consacrée au comportement de gouttes au voisinage d'une autre interface liquide. Nous avons prouvé qu'une goutte peut rebondir indéfiniment sur une interface liquide vibrée verticalement. Les mécanismes du rebond sont analysés en détail pour plusieurs configurations. Sous certaines conditions, les gouttes rebondissantes peuvent également s'auto-propulser ou coalescer partiellement. Dans une seconde partie, nous étudions le glissement des gouttes sur des fibres. Les opérations microfluidiques de base sont avantageusement réalisées sur de simples réseaux de fibres.

II se forme du frasil dans près de 60 % des grands bassins de l'hémisphère nord, pour des périodes variant de quelques jours à plusieurs mois. Le frasil et les glaces qu'il produit, endommagent les infrastructures submergées, menacent la sécurité civile et modifient considérablement la morphologie des rivières. Les interrelations que partage la dynamique glacielle avec la géomorphologie fluviale et le transport des sédiments sont encore mal comprises, entre autres parce qu'elles s'insèrent dans un champ d'études dépourvu de cadre d'analyse. Ce mémoire s'intéresse à l'étude des liens entre la dynamique du frasil et la géomorphologie fluviale. II s'organise autour de deux chapitres-articles. Le premier article propose un modèle conceptuel d'intégration des dynamiques glacielle et fluviale. La « trinité » conceptuelle de Leeder s'impose comme cadre structurel, car elle illustre efficacement les interactions entre les composantes de la dynamique fluviale. Une « trinité » analogue a été développée pour la dynamique glacielle. Le modèle proposé contient six composantes dépendantes et leurs interrelations. Ce modèle est un premier outil d'analyse pour comprendre la complexité des dynamiques physiques sous-jacentes aux rivières froides. Le second article s'intéresse à la chronologie des ajustements morphologiques d'une fosse à frasil selon l'accumulation de frasil sous couvert de glace et le degré d'obstruction du chenal par cette accumulation. Les fosses à frasil présentent une morphologie « anormalement profonde » résultant d'interrelations non documentées entre la dynamique glacielle et la dynamique fluviale. La fosse à l'étude est située à 14.1 km de l'embouchure de la rivière Mitis, Bas-Saint-Laurent. Les objectifs spécifiques de l'étude sont de trois ordres: documenter les processus qui mènent à l'accumulation de frasil; cartographier l'évolution mensuelle du couvert de glace, de l'accumulation sous-glacielle de frasil et l'évolution du lit; documenter en continu la déformation du lit au cours de l'hiver. Les premières observations de frasil dans le système fluvial de la rivière Mitis sont associées à une température de l'eau de 0.8 °C, à un abaissement de la température atmosphérique et à d'importantes précipitations neigeuses. L'étude identifie une relation étroite entre la progression du couvert de glace et le gradient de pente du chenal. À l'échelle de la fosse-à-frasil, l'analyse des levés géophysiques et manuels dévoile une géométrie hydraulique sous-glacielle modelée par d'épaisses accumulations de frasil aux formes irrégulières qui occupent jusqu'à 70 % de la section transversale et atteignent une épaisseur de 6.25 mètres. Un système de bornes autonome munies d'accéléromètres, enregistrant la temporalité et la spatialité des déformations du lit, a été développé. L'utilisation de ces bornes sédimentaires dynamiques (DBR), révèle une relation claire entre la déformation du lit et la progression du couvert de glace sur la fosse-à-frasil. Dans les cours d'eau de taille moyenne, l'accumulation suspendue de frasil constitue une composante morphologique imposante qui dépasse le qualificatif de simple accumulation ponctuelle de glace.

Thèse de doctorat : Sciences, Mécanique énergétique, genie civil, acoustique : Ecole centrale de Lyon : 2003. / 82 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique et Energétique : Reims : 2004. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 173-175.