Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1978. N°: 623.

La dispersion de particules solides par explosif et leur inflammation dans l'air, ainsi que des effets de souffle générés sur le milieu connexe ont été étudiés par voie expérimentale et numérique. La configuration retenue est l'explosion en champ libre de charges sphériques, constituées d'un noyau central d'explosif solide (booster), entouré de particules inertes (billes de verre) ou réactives (particules d'aluminium). Les diagrammes de marche sont tracés à partir des résultats fournis par des capteurs de pression piezo-électriques et des images obtenues par cinématographie rapide et traitées numériquement par méthode de "Background Oriented Schlieren" (BOS). Des échantillons de particules capturés dans le nuage fournissent des informations sur leur état après l'explosion. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux simulations numériques effectuées à l'aide du code de calcul d'écoulements réactifs multiphasiques EFAE du LCD. La frontière du nuage formé présente un aspect caractéristique en forme de dendrites, due à la formation d'agglomérats de particules de quelques millimètres. Après 1m de propagation, une partie de ces agglomérats dépasse le choc incident par effet balistique. Les particules de verre sont brisées par le choc. Elles ralentissent l'onde de souffle et diminuent son amplitude. L'effet des particules d'aluminium dépend de leur taille : avec les plus fines, on observe, après une phase initiale de ralentissement de l'onde de souffle, la ré-accélération de celleci et une augmentation de l'impulsion de pression. Avec les plus grosses particules, le choc s'atténue, mais leur combustion se traduit par une augmentation de la pression dans l'écoulement en arrière du front et un faible accroissement de l'impulsion. Les agglomérats recueillis indiquent que, dans tous les cas, la combustion de l'aluminium est incomplète. Les simulations numériques sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux dans le champ lointain.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules. Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles. La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification. Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques / The present work was devoted to the experimental study of the multiphase flow around inclusions in both Newtonian and non-Newtonian media at respectively microscopic and mesoscopic scales, by means of the Particle Image Velocimetry (both PIV and µ-PIV) and fast camera visualization. Bubbles and drops were experimentally studied starting from their formation, the rising and up to their coalescence and fragmentation. Bubble formation in micro-mixers was also investigated and characterized by measuring the liquid velocity fields. Different parameters, such as the shear rate, the geometry of the micro-mixer, the flow rates or the physical properties were tested to develop correlations of power-law kind. The deformation of a liquid-liquid interface due to the passage of an inclusion was investigated by original experiments in order to observe and describe the dynamics of the phenomenon, to define the reliable dimensionless numbers and also to highlight several interfacial instabilities. The Weissenberg effect was also studied at different scales in various non-Newtonian fluids in comparison with Newtonian fluids to understand the amplification phenomena under the combining effects of instability and normal forces. Finally, the flow around an isolated solid inclusion was characterized by performing the measurements of velocity fields in viscoelastic and shear-thinning fluids. These results were used to confirm the viscoelastic origin of the negative wake behind the solid sphere and to model its characteristics

Dans la première partie de cette thèse nous traitons l’écoulement diphasique compositionnel, partiellement miscible et compressible en milieux poreux. Déplacement d'une phase par un autre est analysé. Nous examinons les mélanges non idéals, la pression est variable, et les concentrations de phase, la densité et la viscosité sont les fonctions de la pression. Le processus est décrit par le problème de Riemann qui admet des solutions discontinues. Nous avons développé une méthode numérique-analytique de solution pour déterminer les paramètres à tous les chocs avant résoudre les équations de flux. Cette méthode est basée sur la séparation de thermodynamique et hydrodynamique, proposée dans [Oladyshkin, Panfilov 2006] et qui était inapplicable à problème de Riemann, en raison de manque des conditions d’Hugoniot. Dans cette thèse, nous avons construit les conditions supplémentaires d'Hugoniot. Dans la deuxième partie, nous examinons l'écoulement diphasique lors que les zones monophasique apparaissent, dans cette zone, le fluide est sur/sous-saturés et les équations diphasique dégénèrent.Nous avons proposé de décrire les zones diphasique et sur/sous-saturés avec un système uniforme des équations diphasique classique en étendant le concept de saturation d'être négatif et supérieur à un. Physiquement, cela signifie que les états monophasiques sont considérés comme des états diphasiques consistant une phase imaginaire avec la saturation négative. Une telle extension de la saturation exige développement des conditions de consistance qui sont fait dans cette thèse.La dernière partie est consacrée ensuite à étendre le modèle HT-split pour le cas d’écoulement triphasique compositionnel. Nous avons obtenu le modèle asymptotique, dans lequel la thermodynamique et l'hydrodynamique sont séparées / In the first part of thesis we deal with two-phase multicomponent, partially miscible, compressible flow in porous media. Displacement of one phase by another is analyzed. We examine non ideal solutions, pressure is variable, and phase compositions, densities and viscosities are variable functions of pressure.The process is described by Riemann problem which admits discontinuous solutions.We developed a numerical-analytical method of solution to explicitly determine all shock parameters before solving the flow equations. This method is based on splitting thermodynamics and hydrodynamics, suggested in [Oladyshkin, Panfilov 2006]. Earlier this method was inapplicable to Riemann problem, due to the lack of Hugoniot conditions. In this thesis we have constructed additional Hugoniot conditions.In the second part we examine two-phase flow when the single-phase zones appear, in this zone the fluid is over/under-saturated and two-phase flow equations degenerate and they cannot be used. We proposed to describe two-phase and over/under-saturated single-phase zones by uniform system of classic two-phase equations while extending the concept of phase saturation to be negative and higher than one. Physically it means that the oversaturated single-phase states are considered as pseudo two-phase states consisting an imaginary phase with negative saturation. Such an extension of saturation requires developing some consistence conditions which have developed in this thesis.The last part then is devoted to extend the HT-split model to the case of three-phase compositional flow. We have obtained the general asymptotic model, in which the thermodynamics and hydrodynamics are split

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la mesure et à la modélisation des propriétés d'écoulements diphasiques (perméabilités relatives) dans des milieux poreux carbonatés représentatifs de la zone de transition de réservoirs pétroliers carbonatés. Notre étude expérimentale a porté sur deux roches carbonatées de même minéralogie mais de propriétés pétrophysiques différentes (unimodale et bimodale). Les fluides utilisés sont une saumure, une huile minérale pour les expériences en mouillabilité franche à l'eau et une huile brute pour les expériences en mouillabilité altérée (obtenue par macération). Durant les expériences en « écoulements permanents », la perte de charge est mesurée continûment et le champ de saturation locale est mesuré en fin d'expérience par atténuation gamma. Les principaux résultats expérimentaux de cette étude sont les suivantes :- La mouillabilité dépend de la saturation initiale en huile et donc de la hauteur de la zone de transition. Elle a une influence sur les perméabilités relatives à l'huile ET à l'eau.- L'hystérésis des perméabilités relatives à l'eau est d'autant plus prononcée que la saturation initiale en huile augmente. Une observation similaire est faite sur la courbure des perméabilités relatives à l'huile.- Les évolutions des Sorw en fonction des Soi ne vérifient pas toutes, une loi monotone de type Land. Leur évolution dépend aussi de la structure poreuse.- Les deux types de roches carbonatés présentent une altération de mouillabilité différente, la structure vacuolaire favorisant l'altération de mouillabilité. Nos données expérimentales ont été interprétées en utilisant différents modèles d'hystérésis de la littérature. Il apparait clairement des différences entre les prédictions numériques et nos données expérimentales car ces modèles ne prennent pas en compte l'évolution de la mouillabilité. Nous avons proposé un modèle de calcul des perméabilités relatives qui décrit nos données expérimentales de manière satisfaisante. / In this work, we take an interest in measuring and modeling the multiphase flow properties (relative permeabilities) in different carbonate rock types that are representative of the transition zone of carbonate reservoirs. Our experimental study focused on two different carbonate rock types, with almost the same mineralogy, but different petrophysical properties (bimodal and unimodal). The system of fluids used is composed of brine, a mineral oil (for experiments at water-wet conditions), and a crude oil (for experiments including wettability alteration after an ageing process at high temperature). During the experiments performed by the steady-state core flooding method, the pressure drop is continuously measured along the core, and the saturation profiles are obtained at the end of the flooding, by gamma ray measurements. The main results of this study are as follows:- Wettability depends on the initial oil saturation and hence the heights above the oil-water contact. It affects the oil relative permeabilities AND water relative permeabilities- The hysteresis observed on water relative permeability is even more pronounced that the initial oil saturation increases. A similar observation is made on the curvatures of the oil relative permeability.- The evolution of Sorw as function of Soi does not always follow a classical Land correlation. Their evolution also depends on the pore structure.- The two rock types exhibit different responses to wettability alteration. The vuggy structure might promote oil-wetness.Our experimental data were interpreted using different hysteretic models of the literature. We observed significant differences between the results predicted by the models and our experimental observations which are attributed mainly to the failures to take into account the change in wettability. We proposed an improved hysteresis model, which described our experimental data satisfactorily.

A system able to simultaneously separate and pump a gas-liquid mixture was developed.<p>It works efficiently and can be used in many applications (nuclear power plants,<p>pulp and paper processing, petroleum extraction, etc.). However, this pump and separator<p>system (PASS) was especially designed to handle air-oil mixture generated in<p>aero-engine lubrication systems. The PASS combines three important functions of the<p>scavenge part of the lubrication system: the deaeration and deoiling of the air-oil mixture<p>generated in the bearing and gearbox sumps and the pumping of the oil towards<p>the tank. These are critical functions for the engine. Indeed, a poor deoiling efficiency<p>leads to a high oil consumption. This reduces the flight endurance, increases the size<p>and weight of the oil tank and has a negative impact on the environment. Poor deaeration<p>and pumping characteristics lead to problems in the cooling and the lubrication of<p>the engine bearings.<p><p>Integrating a PASS into the lubrication system allows considerable improvements<p>(and simplification) to the lubrication system architecture. An important number of<p>components are suppressed: the vent lines, the deoiler, the cyclone deaerator and the<p>scavenge pumps. This reduces the size and the weight of the lubrication system and<p>increases its reliability. Furthermore, an important part of this PhD thesis focuses on<p>reducing the oil consumption in the PASS. This improves the flight endurance, reduces<p>engine maintenance and working costs and is profitable to the environment.<p><p>In addition to the development of an advanced PASS design system, the objective of<p>this thesis was to obtain a good understanding of the separation processes occurring in<p>the PASS and to develop theoretical models able to predict the separation performance<p>for every working condition encountered in a typical aircraft flight. To achieve this<p>goal, three main tasks were performed: the development of different two-phase measurement<p>systems, the experimental tests of four different PASS architectures and the<p>theoretical development (after an extensive literature review) of correlations predicting<p>the performance of the PASS in function of the working conditions. Five specific aspects<p>of the PASS were studied: the inlet flow, the deoiling efficiency, the deaeration efficiency,<p>the pumping efficiency and the pressure drop. Finally, the models that have been developed<p>with the help of the measurement systems and of the experiments have been<p>integrated in a complete model of the lubrication system (under the EcosimPro modelling<p>environment). This helps to predict real in flight PASS working conditions and<p>performance. Indeed, the PASS is very sensitive to the engine working conditions and<p>an optimisation of the prototype size and performance is only feasible with an accurate<p>knowledge of these working conditions and a complete lubrication system model.<p>Finally, with the results of this PhD thesis, a new PASS design, optimised for different<p>aero-engine lubrication systems, is presented. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis deals with the experimental and numerical analysis of the water hammer phenomenon generated by the discharge of a pressurized liquid into a pipeline kept under vacuum conditions. This flow configuration induces several multiphase phenomena such as cavitation and gas desorption that cannot be ignored in the water hammer behavior.<p><p>The motivation of this research work comes from the liquid propulsion systems used in spacecrafts, which can undergo fluid hammer effects threatening the system integrity. Fluid hammer can be particularly adverse during the priming phase, which involves the fast opening of an isolation valve to fill the system with liquid propellant. Due to the initial vacuum conditions in the pipeline system, the water hammer taking place during priming may involve multiphase phenomena, such as cavitation and desorption of a non-<p>condensable gas, which may affect the pressure surges produced in the lines. Even though this flow behavior is known, only few studies model the spacecraft hardware configuration, and a proper characterization of the two-phase flow is still missing. The creation of a reliable database and the physical understanding of the water hammer behavior in propulsion systems are mandatory to improve the physical models implemented in the numerical codes used to simulate this flow configuration.<p><p>For that purpose, an experimental facility modeling a spacecraft propulsion system has been designed, in which the physical phenomena taking place during priming are generated under controlled conditions in the laboratory using inert fluids. An extended experimental campaign was performed on the installation, aiming at analyzing the effect of various working parameters on the fluid hammer behavior, such as the initial pressure in the line, liquid saturation with the pressurant gas, liquid properties and pipe configuration. The influence of the desorbed gas during water hammer occurrence is found to have a great importance on the whole process, due to the added compressibility and lower speed of sound by an increasing amount of non-condensable gas in the liquid + gas mixture. This results in lower pressure levels and faster pressure peaks attenuation, compared to fluids without desorption. The two-phase flow was characterized by means of flow visualization of the liquid front at the location where the fluid hammer is generated. The front arrival was found to be preceded by a foamy mixture of liquid, vapor and non-condensable gas, and the pressure wave reflected at the tank may induce the liquid column separation at the bottom end. While column separation takes place, the successive pressure peaks are generated by the impact of the column back against the bottom end.<p><p>The resulting experimental database is then confronted to the predictions of the 1D numerical code EcosimPro/ESPSS used to assess the propulsion system designs. Simulations are performed with the flow configuration described before, modeling the experimental facility. The comparison of the numerical results against the experimental data shows that aspects such as speed of sound computation with a dissolved gas and friction modeling need to be improved. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le présent manuscrit contribue à l’étude des écoulements liquides dans des milieux poreux artificiels, plus spécifiquement dans les cas où la matrice poreuse présente des gradients de perméabilité importants, par exemple dans un milieu stratifié ou fracturé. Nous étudions l’influence de tels milieux poreux hétérogènes sur différents types d’écoulements. Ce travail est principalement expérimental, mettant en oeuvre une technique optique non-intrusive appelée effet Christiansen. Cette méthode permet de déterminer quantitativement des distributions soit de température, soit de concentration au sein d’un milieu poreux. <p><p>Trois problèmes physiques sont étudiés: tout d’abord le problème de Horton-Rodgers-Lapwood qui est l’équivalent du très connu problème de Rayleigh-Bénard mais pour un milieu poreux, ensuite les phénomènes de dispersion hydrodynamique que l’on rencontre dans des écoulements multiphasiques. Cette dispersion hydrodynamique est essentiellement envisagée comme un processus macroscopique de diffusion, renforcé par rapport à la diffusion moléculaire que l’on rencontre en milieu fluide libre. Enfin, le troisième problème englobe les écoulements capillaires en milieux poreux en environnement de pesanteur réduite. Dans le cas d’écoulements immiscibles multiphasiques, il faut prendre en considération l’effet de la tension superficielle aux interfaces. Comme les effets capillaires sont partiellement masqués par les effets de pesanteur durant des expériences au sol, une étude précise des effets de mouillage dans ces écoulements en milieu poreux nécessite de les découpler au maximum des autres effets physiques. Un programme de recherche en microgravité a été réalisé, et un nouveau modèle mathématique qui prend en compte l’influence des forces capillaires a été élaboré dans le cadre d’une collaboration entre le Service de Chimie-Physique et le Prof. N.N. Smirnov du Département de Mécanique et de Mathématique de l’Université d’Etat de Moscou.<p><p><p>La structure de ce travail part du Chapitre 1, qui présente essentiellement les milieux poreux et leurs spécificités. Ce dernier introduit le formalisme et les concepts nécessaires au traitement des trois problèmes de recherche envisagés. Le Chapitre 2 présente ensuite une étude bibliographique du problème de Horton-Rodgers-Lapwood et des phénomènes de dispersion hydrodynamique en milieux poreux. Le Chapitre 3 est consacré à l’effet Christiansen. Le Chapitre 4 présente les dispositifs de laboratoire mis au point, ainsi qu’une compilation des résultats expérimentaux obtenus. Les problèmes d’écoulements capillaires sont exposés au Chapitre 5, étant donné que la technique expérimentale est différente de celle basée sur l’effet Christiansen. Ce Chapitre compare le nouveau modèle mathématique aux résultats des expériences menées en microgravité durant de nombreuses campagnes de vols paraboliques. Le Chapitre 6 referme ce travail par ses conclusions et perspectives. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished