Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Ce mémoire vise à identifier et caractériser les phénomènes d'écoulement dans le cône de la turbine modèle à moyenne chute opérée en marche à vide à la vitesse de synchronisation et installée au laboratoire Heki de l'Université Laval. Avec peu de recherches réalisées sur le régime en marche à vide et des machines fonctionnant de plus en plus dans ce régime, le mémoire aidera l'industrie à comprendre par quels mécanismes la machine est endommagée par le régime en marche à vide. Les mesures expérimentales ont utilisé la vélocimétrie par image de particules stéréoscopique dans un plan radial-axial du diffuseur conique. Les mesures étaient calées sur la position de la roue de turbine de façon verrouillé en phase). Cette méthode de mesure a été appliquée à deux hauteurs dans le diffuseur conique pour couvrir la majeure partie de sa hauteur. Les phases mesurées sont équidistantes d'un intervalle de 6° et couvrent 360°. Pour la section de mesure supérieure, une résolution plus fine de 3° a été utilisée entre les phases 300° et 360°. La structure d'écoulement globale discutée dans la littérature s'est avérée présente dans le modèle étudié et a été mis en évidence. Un débit à haute vitesse avec une grande vitesse tangentielle et axiale a été mesurée près de la paroi interne du cône. Une zone de recirculation avec des vitesses beaucoup plus faibles a été mesurée au centre du diffuseur. La couche de cisaillement mentionnée par quelques auteurs a été caractérisée par le calcul des composantes de cisaillement. L'écoulement s'est avéré ne pas être axisymétrique. Des traces de tourbillons inter-aubes dans le diffuseur conique ont été trouvées dans les mesures à moyenne de phase, comme cela avait été prédit par les simulations numériques. / This thesis aims to characterize the flow and identify flow phenomena in the draft tube of the Tr-Francis medium head model turbine operated at speed-no load and installed at the Heki laboratory at Laval University. With little research accomplished on the speed no-load regime and machines being operated increasingly in this regime, the thesis will help the industry understand by what mechanisms the machine is damaged by the no load regime. The experiments used stereoscopic particle image velocimetry in one radial-axial plane of the conical diffuser. The measurements were locked on the position of the turbine runner (phase-locked). This measurement method was applied at two heights in the conical diffuser to cover most of its height. The measured phases are equally spaced at an interval of 6° and cover 360°. For the upper measurement section, a finer resolution of 3° was used between phases 300° and 360°. The global flow structure discussed in the literature was found to be present in the studied model. A high velocity throughflow with a large tangential and axial velocity was measured near the diffuser's inner wall. A recirculation zone with much lower velocities was measured at the center of the diffuser. The shear layer mentioned by a few authors was characterised by calculating shear strain components. The flow was found not to be axisymmetric. Traces of inter-blade vortices in the draft tube were found in the phase-averaged measurements as was predicted by the numerical simulations.

L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

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.

Motivation Ce document synthétise un travail de quatre années relatif à l'étude des phénomènes dynamiques rencontrés dans une arme de petit calibre. Jusqu'à présent, des efforts ont été réalisés pour simuler des armes de gros calibre, avec plus ou moins de succès. L'adaptation directe de ces méthodes au petit calibre est, la plupart du temps, décevante car peu précise. De plus, le coût des essais en arme de petit calibre, relativement faible par rapport à des essais en armes de calibre plus important, a contribué au désintérêt des études dans ce domaine. Encore aujourd'hui, des fabriquants d'armes de renommée internationale ne disposent pas de modèles pour le petit calibre. Celui-ci a été, et reste encore aujourd'hui, le parent pauvre des simulations numériques en balistique intérieure. A l'heure actuelle, de nombreuses recherches sont entreprises dans le cadre des canons électriques ou électromagnétiques. Ces armes, qui représentent peut-être le futur de la balistique, ne sont encore qu'à un stade fort éloigné d'une utilisation effective et opérationnelle. La situation est donc assez paradoxale : les armes de petit calibre sont les plus utilisées (dans le cadre d'une utilisation militaire, sportive ou à des fins de tests) mais il n'existe, à proprement parler, que peu de modèles mathématiques permettant une simulation précise et rigoureuse. Dans ce contexte, ce travail va démontrer que des modèles de balistique intérieure peuvent être utilisés avec succès pour la simulation de tirs en armes de petit calibre. Une des originalités de ce travail consiste en l'utilisation d'un logiciel de CFD (Computational Fluid Dynamics} comme squelette d'un simulateur de la balistique intérieure, et à son application sur des armes de petit calibre. L'approche employée permet de dissocier les aspects "mécanique des fluides" et traitement de l'écoulement, des aspects purement balistiques. Nous nous attacherons donc à évaluer la capacité d'un code CFD à fonctionner dans l'environnement particulier de la simulation du "coup de canon". Plan du travail Cette thèse peut être subdivisée en quatre différentes parties. La première partie, plutôt générale, vise à situer le problème dans son contexte. Elle débute par une introduction rapide à la balistique, et s'attarde sur les buts de la balistique intérieure en mettant l'accent sur les particularités des armes de petit calibre, le cas échéant. La simulation sur ordinateur est un aspect important du problème qui doit nécessairement être mis en rapport avec des résultats réels. C'est pourquoi la chaîne de mesure utilisée classiquement en balistique, ainsi que les dispositifs expérimentaux employés pour obtenir des résultats de validation, sont brièvement présentés dans la deuxième partie. La troisième partie est axée sur les modèles. Nous présentons les principaux types de modèles que l'on peut retrouver en balistique intérieure. Les modèles à paramètres globaux et à paramètres locaux sont développés et nous formulons quelques remarques générales au sujet de l'état de l'art dans ce domaine, avant de nous interroger sur la problématique du choix d'un logiciel CFD adapté à l'utilisation visée. Nous présentons alors le logiciel choisi, et détaillons les modèles qu'il utilise pour tenir compte des particularités de la balistique intérieure. Le mouvement du projectile dans l'arme, la combustion et le traitement du problème diphasique sont notamment passés en revue et développés. Mobidic (Mobidic est l'acronyme de : MOdélisation Balistique Intérieure DIphasique Canon) est un logiciel français que nous avons obtenu vers la fin de cette étude. Ce logiciel est reconnu pour sa capacité à modéliser précisément les tirs en arme de moyen et gros calibre. Son fonctionnement et les modèles qu'il utilise sont exposés et comparés à notre implémentation. La quatrième et dernière partie n'est certainement pas la moins importante. Elle présente les résultats issus des tirs que nous avons réalisés et les différentes étapes de validation qui ont été menées à bien, depuis les tests de base jusqu'à la validation totale dans deux armes de petit calibre. Enfin, les conclusions, remarques et directions futures clôturent ce travail.

Dans ce travail de thèse, nous avons développé deux méthodologies permettant d'acquérir rapidement et facilement des propriétés physico-chimiques, cinétiques et thermodynamiques de fluides complexes. Nous nous sommes focalisés sur le rôle de la concentration sur ces propriétés. Les deux méthodes développées sont basées sur la concentration en continu d'une solution aqueuse par évaporation contrôlée du solvant. Le premier outil est une goutte de quelques microlitres confinée entre deux plaques dont la hauteur est de 100µm. Dans cette géométrie à deux dimensions, l'évaporation est entièrement décrite par un modèle que nous avons développé. L'observation du séchage de la goutte couplée à des mesures locales de concentration par spectroscopie Raman, permet d'accéder quantitativement au diagramme de phase d'une solution de copolymères, et de mesurer l'activité ainsi que d'estimer le coefficient d'interdiffusion de la solution. Le second outil est une puce microfluidique permettant de concentrer des solutions aqueuses grâce à la pervaporation de l'eau à travers une membrane. Cet outil permet avec quelques microgrammes de soluté, de bâtir un gradient de concentration stationnaire le long d'un microcanal. Les techniques de spectroscopie Raman et de diffusion des rayons X aux petits angles permettent à nouveau de mesurer des propriétés physico-chimiques de la solution mais également de mettre en évidence le caractère discontinu du coefficient d'interdiffusion en fonction de la concentration, dépendant des mésophases présentes. / In this work, we developed two methods in order to access rapidly and easily physico-chemical, thermodynamic and kinetic properties of complex fluids. We focused on the role of the concentration on these properties. The two methods that we developed are based on the continuous concentration of an aqueous solution thanks to the evaporation of the solvent. The first tool is a microliter droplet confined between two circular plates with a cell height of about 100 µm. Within this two dimensional cylindrical geometry, the evaporation of the droplet is totally described by a model that we developed. The observation of the droplet evaporation combined to local Raman spectroscopy measurements permits us to build a quantitative phase diagram, to measure the activity of the solution and to estimate its mutual diffusion coefficient. The second tool is a microfluidic chip in which water is removed through a thin membrane. This device permits us to build with a few micrograms of solutes a stationary concentration gradient along a microchannel. Raman confocal spectroscopy and small angle X-ray scattering give access to the quantitative phase diagram and also permit to evidence that the mutual diffusion coefficient is discontinuous at some of the phase boundaries.

Nous présentons une nouvelle méthode de type frontière immergée (immersed boundary method, ou méthode IB) pour le calcul d'écoulements visqueux incompressibles en géométries irrégulières. Dans les méthodes IB , la frontière irrégulière de la géométrie n'est pas alignée avec la grille de calcul, et le point crucial de leur développement demeure le traitement numérique des cellules fluides qui sont coupées par la frontière irrégulière, appelées cut-cells. La partie dédiée à la résolution des équations de Navier-Stokes de notre méthode IB, appelée méthode LS-STAG , repose sur la méthode MAC pour grilles cartésiennes décalées, et sur l'utilisation d'une fonction de distance signée (la fonction level-set ) pour représenter précisément les frontières irrégulières du domaine. L'examen discret des lois globales de conservation de l'écoulement (masse, quantité de mouvement et énergie cinétique) a permis de bâtir une discrétisation unifiée des équations de Navier-Stokes dans les cellules cartésiennes et les cut-cells . Cette discrétisation a notamment la propriété de préserver la structure à 5 points du stencil original et conduit à une méthode extrêmement efficace sur le plan du temps de calcul en comparaison à un solveur non-structuré. La précision de la méthode est évaluée pour l'écoulement de Taylor-Couette et sa robustesse éprouvée par l'étude de divers écoulements instationnaires, notamment autour d'objets profilés. Le champ d'application de notre solveur Newtonien s'étend au cas d'écoulements en présence de géométries mobiles, et la méthode LS-STAG s'avère être un outil prometteur puisqu'affranchie des étapes systématiques (et coûteuses) de remaillage du domaine. Finalement, la première application d'une méthode IB au calcul d'écoulements de fluides viscoélastiques est présentée. La discrétisation de la loi constitutive est basée sur la méthode LS-STAG et sur l'utilisation d'un arrangement totalement décalé des variables dans tout le domaine assurant le couplage fort requis entre les variables hydrodynamiques et les composantes du tenseur des contraintes élastiques. La méthode est appliquée au fluide d'Oldroyd-B en écoulement dans une contraction plane 4:1 à coins arrondis. / This thesis concerns the development of a new Cartesian grid / immersed boundary (IB) method for the computation of incompressible viscous flows in two-dimensional irregular geometries. In IB methods, the computational grid is not aligned with the irregular boundary, and of upmost importance for accuracy and stability is the discretization in cells which are cut by the boundary, the so-called ``cut-cells''. In this thesis, we present a new IB method, called the LS-STAG method, which is based on the MAC method for staggered Cartesian grids and where the irregular boundary is sharply represented by its level-set function. This implicit representation of the immersed boundary enables us to calculate efficiently the geometry parameters of the cut-cells. We have achieved a novel discretization of the fluxes in the cut-cells by enforcing the strict conservation of total mass, momentum and kinetic energy at the discrete level. Our discretization in the cut-cells is consistent with the MAC discretization used in Cartesian fluid cells, and has the ability to preserve the 5-point Cartesian structure of the stencil, resulting in a highly computationally efficient method. The accuracy and robustness of our method is assessed on canonical flows at low to moderate Reynolds number~: Taylor Couette flow, flows past a circular cylinder, including the case where the cylinder has forced oscillatory rotations. We extend the \em LS-STAG \em method to the handling of moving immersed boundaries and present some results for the transversely oscillating cylinder flow in a free-stream. Finally, we present the first IB method that handles flows of viscoelastic fluids. The discretization of the constitutive law equation is based on the \em LS-STAG \em method and on the use of a fully staggered arrangement of unknowns, which ensures a strong coupling between all flow variables in the whole domain. The resulting method is applied to the flow of an Oldroyd-B fluid in a 4:1 planar contraction with rounded corner.

This thesis investigates large scale flow rotation in two configurations. In the first, the effect of flow rotation on a laminar flame is investigated. The flame is anchored in the wake of a cylindrical bluff body. The flow rotation is introduced by turning the cylinder along its axis. It is shown by Direct Numerical Simulation (DNS), that the cylinder rotation breaks the symmetry of both flame branches. Flame Transfer Function (FTF) measurements performed by the Wiener-Hopf Inversion suggest, that low rotation rates lead to deep gaps in the gain and the flame becomes almost insensitive to acoustic perturbation at a specific frequency. It furthermore is demonstrated that this decrease in gain of the FTF is due to destructive interference of the heat release signals caused by the two flame branches. The frequency at which the gain becomes almost zero can be adjusted by tuning the cylinder rotation rate. The study suggests that controlling the symmetry of the flame could be a tool of open-loop control of thermoacoustic instabilities.

Dans cette thèse, des simulations numériques directes (DNS) de fluides non Newtoniens (basées sur le modèle rhéologique FENE-P) ont été réalisées et comparées avec des DNS de fluides Newtoniens à même viscosité. Les comparaisons sont effectuées sur les statistiques dans l’espace physique et également dans l’espace spectral. Le résultat le plus remarquable est l’émergence d’une nouvelle loi de puissance avec l’exposant -6 pour l’évolution du spectre d’énergie cinétique, dans la zone dissipative. Nous constatons que dans cette région, il y a une injection d’énergie qui provient des polymères et est transférée au fluide porteur, qui est généralement négligée ou inobservable dans les autres travaux de la littérature. Cette injection d’énergie est responsable de cette nouvelle loi de puissance. Nous avons établi un bilan d’énergie échelle par échelle et une estimation approximative des quantités d’énergie échangée qui confirme ce mécanisme. / No abstract

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