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

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.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

La relation scalaire entre contrainte et déformation obtenue par le cisaillement simple dans les rhéomètres classiques n'est pas assez riche pour décrire les écoulements complexes. Pour obtenir plus d'information, nous superposons deux écoulements orthogonaux en utilisant la géométrie plan-plan. Le fluide, sous forme cylindrique, peut alors être cisaillé par la rotation mais aussi écrasé par le rapprochement (ou étiré par l'éloignement) des disques. Nous détaillons les calculs théoriques permettant de déterminer les liens entre contraintes et taux de cisaillement et les efforts et vitesses macroscopiques associés. Ensuite, nous décrivons précisément le dispositif expérimental mis en place pour imposer toutes sortes d'écoulements combinant des cisaillements stationnaires ou oscillants, en rotation ou en écrasement. Puis nous présentons les résultats de la comparaison entre l'écoulement de rotation et l'écoulement d'écrasement. Nous présentons enfin les expériences de superposition des deux écoulements. Nous créons des écoulements complexes et divers afin, entre autres, de mesurer et comprendre la loi d'écoulement 3D et le critère d'écoulement 3D des fluides à seuil

Une première approche de la simulation des incendies est menée à l'aide du code CFD d'EDF R&D Code_Saturne. Une extension de son schéma incompressible et une adapta- tion des conditions limites libres sont développées afin de traiter des flammes à bas nombre de Froude instationnaires et dominées par la convection naturelle grâce à une modélisation URANS. La turbulence est traitée à l'aide d'un modèle k − " tenant compte de la gravité. La combustion est traitée à l'aide d'une réaction globale infiniment rapide et l'interaction avec la turbulence par une approche statistique présumant une fonction densité de proba- bilité. L'équation des transferts radiatifs est résolue à l'aide de la méthode des ordonnées discrètes. Les propriétés radiatives du milieu sont estimées à l'aide d'un modèle à larges bandes. Le modèle semi-empirique utilisé pour les suies tient compte des processus de nu- cléation, croissance, agglomération et oxydation. Le modèle est appliqué à des panaches thermiques et d'hélium, configurations proches des feux. Le gain minime apporté par les fermetures testées sur le modèle de turbulence suggère que le calcul des flux turbulents scalaires est plus important. En revanche, le gain lié au schéma faiblement compressible est considérable. Le modèle est ensuite appliqué à deux types de feu. Sur le feu de nappe, un maillage fin est nécessaire pour pallier un défaut de turbulence et obtenir une bonne prédiction sur les grandeurs caractéristiques. Cette conclusion est modérée par les résultats obtenus sur le feu de compartiment pour lequel les prédictions sont raisonnables malgré les maillages grossiers utilisés, le rayonnement des fumées et des parois ayant une forte influence.

Le but de ce travail est une tentative de reconstitution de l'évolution thermodynamique de la déformation d'une couverture sédimentaire Cette étude a porté sur la couverture sédimentaire des massifs cristallins externes alpins de Belledonne , des Grandes Rousses et du Pelvoux Deux régions ont été choisies : - le synclinal de Bourg d'Oisans entre les massifs du Taillefer ( extrémité sud de Belledonne) et des Grandes Rousses, entre les Sables et le col d'Ornon - les environs de La Grave du Massif du Pelvoux ( au sud) aux Grandes Rousses a l'ouest zone comprise entre le Pic du Mas de la Grave au nord et a l'est le Pic des Trois Evêchés . Les inclusions fluides étudiées ont été prises dans les minéraux de remplissage des fissures de la couverture sédimentaire et du socle proche de la limite socle-couverture

Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 165-175.

reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique des milieux fluides : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l' écran-titre. Bibliogr. 139 réf.

Th. Univ.--Géol. structurale-Métallogénie--Nancy 1, 1990. / Bibliogr. p. 159-170.