Cette thèse est dédiée à l'étude expérimentale et numérique des phénomènes de condensation dans un pressuriseur de chaufferie nucléaire embarquée conçu par l'entreprise DCNS. Au sein du système est observé un écoulement diphasique avec changement d'état, descendant dans un tube vertical partiellement immergé dans du liquide. Le liquide sous-refroidi s'écoule dans le tube sous l'effet de la gravité en entrainant de la vapeur saturée qui se condense à son contact. Dans un premier temps, l'étude des phénomènes de condensation est réalisée sur un banc expérimental dont la conception, le dimensionnement, la réalisation et l'exploitation ont été effectués au cours de cette thèse. Le dispositif est une version simplifiée à l'échelle 1 du système réel. Cette étude expérimentale a permis d'identifier les régimes d'écoulements diphasiques présents dans le système et d'analyser l'impact de trois paramètres : le débit de liquide injecté, le sous-refroidissement de ce liquide à l'entrée du tube et la pression en sortie de tube. Par ailleurs, l'étude propose un modèle déterminant les conditions pour laquelle le tube d'essais est complètement noyé, ce qui minimise les phénomènes de condensation. Dans un second temps, une simulation numérique de l'écoulement diphasique est réalisée par CFD sur ANSYS Fluent à l'aide du modèle " Volume Of Fluid ". La prise en compte de la condensation de la vapeur au contact du liquide sous-refroidi a nécessité le développement, grâce aux fonctions utilisateur du logiciel, d'un modèle spécifique s'appuyant sur un modèle de la littérature. Les résultats obtenus ont permis de reproduire qualitativement le déversement du liquide observé expérimentalement en entrée de tube ainsi que la condensation de la phase vapeur au contact de la phase liquide. / This thesis focuses on condensation phenomena occurring in a patented system designed by DCNS Company. The system ensures pressure regulation of nuclear boiler rooms embarked in naval vessels. Within the system occurs a downward liquid/vapor flow with phase change in a partially submerged vertical pipe. Subcooled liquid flows into the pipe and induce a suction of saturated vapor which condense in contact with liquid phase. This study aim to understand the physical phenomena occurring in the system and to simulate these phenomena. First, the condensation phenomena are studied with a test loop which conception, dimensioning, realization and exploitation were realized during this study. The experimental study identified the flow regimes occurring in the system and analyzed the impact of three parameters: the liquid flow rate, the liquid subcooling and the pressure at the system outlet. This study also proposed a simple model which determine the necessary conditions to completely drown the pipe, which minimize condensation phenomena. Thereafter, the numerical simulation of the two-phase flow was realized by CFD on ANSYS Fluent with the "Volume of Fluid" model. The condensation simulation was achieved by applying a condensation model used in literature. This model was added to the numerical code with User-Defined Functions (UDF). The simulation reproduced the weir regime flow at the pipe entrance and the vapor condensation inside the pipe.

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques. / French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events.

Dans les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical, la percolation des eaux usées à travers le milieu filtrant entraine la rétention physique des matières en suspension à la surface des filtres, et leur accumulation conduit à la formation d’une couche de boue principalement sur le premier étage des filtres. Longtemps considérée comme un facteur de risque de colmatage, cette couche de surface est aussi un compartiment majeur de la performance du système. Dans l’objectif de mieux connaitre la nature et l’évolution des dépôts qui la constituent, des échantillons issus de 14 stations en fonctionnement ont été prélevés pour analyser notamment la nature de leur matière organique particulaire et son évolution. Les résultats ont montré que les dépôts de stations de plus de trois ans de fonctionnement tendent vers un état similaire, caractérisé par la présence de composés organiques stables et complexes et par une plus faible réactivité de la matière organique particulaire. Les dépôts provenant de stations de moins d’un an de fonctionnement présentent une signature particulière, caractérisée par une matière organique réactive et peu mature. En complément de cette évolution en surface du filtre, la matière organique particulaire des eaux usées entrantes peut également subir des modifications au sein du process d’un filtre planté de roseaux. La présence d’un lit bactérien comme traitement additionnel participe à l’hydrolyse et à la transformation de la matière organique particulaire par des processus de minéralisation et d’humification. L’ajout de chlorure ferrique favorise l’agrégation de la matière. Enfin, des polluants organiques et métalliques d’intérêt ont fait l’objet d’une première quantification dans ces dépôts afin d’estimer leur rétention pour mieux appréhender les risques potentiels en cas de dysfonctionnement ou d’épandage. L’étude du comportement à la lixiviation en fonction du pH a permis de mettre en évidence que la libération de certains éléments traces est liée à celle de la matière organique. / The percolation of unsettled wastewater in French Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCWs) causes the formation of a sludge layer at the surface of the first stage filter due to the retention of sludge deposits. Although the growth of this layer over the years of operation is a potential source of clogging risks, it also largely contributes in the performance of the system, depending on its properties. In order to better understand these phenomena, surface sludge deposits samples taken from 14 VFCW sewage treatment plants were collected and analyzed. Results showed that the structure and composition of the sludge deposits from treatment plants with more than three years of operation time were remarkably similar, characterized by the presence of stable and complex organic compounds and a low reactivity and biodegradability of the particulate organic matter. Deposits from treatment plants with less than one year of operation time were composed of more reactive and less mature organic matter. The particulate organic matter of the inflow wastewater was also shown to undergo modifications within the treatment chain of the vertical flow constructed wetland. The implementation of a biological trickling filter as an additional treatment prior to the filter stages was found to induce the transformation of soluble and particulate organic matter through mineralization and hydrolysis, and to contribute to humification probably by the detachment of biofilm fragments. The injection of ferric chloride used to precipitate phosphates was found to promote aggregation within the sludge deposits. Finally, the role of the sludge layer in the retention of a selection of organic and metallic pollutants in VFCW systems has been evaluated by analyzing sludge deposits samples. Detergents were found at higher concentrations than PCPP. The potential release of the sorbed contaminants was studied using leaching tests as a function of pH. Results showed that the release of some trace metals (mostly copper) was governed by the leaching behavior of organic matter.