Le phénomène de transport de particules dans un fluide se rencontre dans de nombreux domaines d’application : énergétique, agroalimentaire… Nous avons entrepris la modélisation et la simulation numérique de l’ascension d’une particule fondante pour un régime de nombre de Reynolds modéré. Nous vérifions dans un premier temps la validité du code de calcul. Puis, l’étude de l’ascension d’une particule indéformable (sans fusion) froide évoluant dans un fluide chaud permet de constater l’influence des échanges de chaleur entre la particule et le fluide à la fois sur la vitesse et l’établissement du champ de température. L’analyse du processus d’ascension d’une particule fondante permet de mieux comprendre l’hydrodynamique, les échanges thermiques liquide-solide et le phénomène de fusion dans le cas d’une ascension. / Flows of melting particles are involved in a wide field of industrial applications such as energetics, agroalimentary… We undertook the modeling and the numerical simulation of the rise of a single melting particle for a mode of moderate Reynolds number. We initially check the validity of the computer code. Then, the study of the rise of an indeformable particle (without fusion) cold moving in a hot fluid makes it possible to note the influence of the heat transfers between the particle and the fluid at the same time on the speed and the establishment of temperature field. The analysis of the process of rise of a single melting particle makes it possible to better understand the hydrodynamics, heat exchange liquid-solid and the phenomenon of fusion in the case of a rise.

Nous avons étudié expérimentalement la dynamique de remontée de bulles dans des fluides complexes, allant de solutions de polymère à des milieux granulaires immergés, dans le cas d'une géométrie confinée (cellule de Hele-Shaw). Dans un premier temps, nous avons considéré la remontée d'une bulle unique dans une solution de polymère confinée. Le fluide choisi (PEO) est viscoélastique et rhéofluidifiant. Au-delà d'un volume critique, nous avons mis en évidence et caractérisé deux types d'instabilités : la bulle est défléchie de sa trajectoire verticale, ou se fragmente. L'extension de cette expérience au cas de l'injection continue d'air en base de la cellule a permis de quantifier la dynamique couplée entre les bulles et en particulier leur coalescence, qui dépend fortement du débit d'injection. Dans un deuxième temps, nous avons considéré le cas d'un milieu granulaire immergé : un lit de grains à surface libre, dans lequel de l'air est injecté à débit constant par un unique point d'injection en base de la cellule. En régime stationnaire, la mise en mouvement des grains par le passage répété de l'air conduit à la formation d'une zone fluide. Nous avons quantifié la dynamique des bulles dans cette zone et montré que même en variant la taille des grains et le débit de gaz, la fraction de gaz piégée dans la zone fluide reste constante. Enfin, nous avons considéré l'influence d'un obstacle fixe sur la dynamique du canal d'air central. Un diagramme des régimes est établi en fonction de la taille et de la hauteur de l'obstacle : soit le canal est stabilisé par l'obstacle, soit il est instable et explore de manière intermittente l'un ou l'autre côté de l'obstacle. / We have studied experimentally the dynamics of bubbles rising in complex fluids, from polymer solutions to immersed granular media, in a confined geometry (Hele-Shaw cell). In a first part, we considered the rise of a single bubble in a confined polymer solution. The fluid (PEO) is viscoelastic and shear-thinning. Above a critical volume, we have observed and characterized two types of instabilities : the bubble is deflected from its vertical trajectory, or fragments. The extension of this experiment to continuous air injection at of the cell bottom made it possible to quantify the coupled dynamics between bubbles and in particular their coalescence, which is highly dependent on the injection rate. In a second part, we considered the case of a immersed granular medium, in which air is injected at constant flow rate through a single nozzle at the cell bottom. In the steady state, the movement of the grains generated by the successive air pathways leads to the formation of a fluidized zone. We quantified the bubble dynamics in this zone and showed that even when varying the grains size and gas flow rate, the fraction of gas trapped in the fluidized zone remains constant. Finally, we considered the influence of a fixed obstacle on the dynamics of the central air channel. A phase diagram is established depending on the size and height of the obstacle: either the channel is stabilized by the obstacle, or it is unstable and intermittently explores each side of the obstacle.

Le procédé d’enduction grande vitesse d’un filament de carbure de silicium de type SCS-6 par du titane liquide constitue une voie d’élaboration innovante pour la réalisation de composites à matrice métallique. Cependant, un mauvais mouillage entre le filament et le titane liquide et la formation de perles de titane le long de ce filament au cours de l’enduction ne permettaient pas de maîtriser le procédé pour la réalisation des matériaux composites. Les travaux de la thèse ont donc consisté à identifier et comprendre l’ensemble des mécanismes entrant en jeu lors de l’enduction à grande vitesse. Une double approche numérique et expérimentale a été mise en place pour estimer les paramètres influents sur l’épaisseur de fluide emportée et sa stabilité en proposant une analyse paramétrique du phénomène physique grâce à l’étude d’enductions avec des liquides modèles. Cette analyse a ensuite été confrontée à une analyse physique et chimique d’enduction de filaments par un fluide métallique. Les différences et similitudes de ces analyses ont permis notamment grâce à des études de mouillage, à identifier les conditions pour lesquelles l’enduction d’un filament céramique de carbure de silicium par un alliage de titane seraient possibles. / High speed coating of SCS-6 silicon carbide fiber by liquid titanium is a new industrial process designed to manufacture metallic matrix composites at a lower cost. However, due to expected high speed in the coating process, a lack of reactivity is observed between liquid titanium and ceramic fiber. Because of these high speeds, large titanium drops are also formed on the coated fiber. The work presented in this doctoral thesis aimed to identify and understand the several mechanisms occurring in this high speed coating in order to propose an improvement of the industrial process.Both experimental and numerical studies are used to determine the parameters responsible of the coating and the ones of thickness stability. Standard coatings with model fluids were firstly studied to understand the physical phenomenon alone. The understandings of chemical influence in fiber coating and especially on wetting properties were done in a second time. Using the previous results, an optimization of titanium high speed coating on ceramic fiber is then described.

Dû à leur impact destructeur et meurtrier, il est important de comprendre la dynamique des tsunamis afin d'améliorer les modèles de prévention et d'alerte. Le peu de données disponibles in situ rend la génération des tsunamis peu connue. Les modèles de générations, notamment la génération sismique qui est considérée ici, simplifient les phénomènes mis en jeu. De nombreux effets sont négligés, parmi eux la cinématique de déformation du fond. Deux paramètres temporels peuvent être définis pour d écrire ce mouvement: la vitesse de propagation de rupture vp qui est propre à l' évènement sismique, et le temps d' élévation tr. Respectivement, ces paramètres caractérisent le mouvement horizontal et vertical. Une étude linéaire et théorique, puis non-linéaire et numérique, révèle un phénomène de résonance pour de courts tr et des vp de l'ordre de la célérité des ondes longues. Dans ces conditions, l'amplitude des vagues générées est amplifié e par rapport à celle de la déformation du fond marin, et des phénomènes dispersifs apparaissent. Pour illustrer ce phénomène, le cas du tsunami de 1947, qui frappa la Nouvelle Zélande, est simulé avec les modèles de Saint-Venant puis de Boussinesq du système Telemac2D. Rejoignant la théorie, l'influence de vp est nettement observable tandis que les faibles valeurs de tr ont un impact limité. Bien que des effets dispersifs soient attendus durant cet évènement, ils ne sont pas observés avec le modèle numérique. En parallèle de cette étude sur les échelles temporelles, cette thèse a permis de contribuer à la validation des modèles numériques du système Telemac dans le cadre du projet TANDEM. Ainsi, les modèles issus de Telemac2Det Telemac3D sont testés sur des cas tests représentant la génération, la propagation ou le run-up d'un tsunami. Il s'avère que dans la plupart des cas, les modèles numériques proposent de résultats très corrects. Cependant, on note une certaine dépendance aux paramètres numériques pour les cas délicats comme celui de la propagation d'une onde solitaire. En plus des cas idéalisés, le modèle de Saint-Venant de Telemac2D est utilisé pour modéliser l'évènement de Tohoku-Oki de 2011, pour lequel les résultats sont satisfaisants / The impact of tsunamis on mankind is well known. During recent years, several events showed us the disasters they can trigger which reiterate the importance of understanding their dynamics. Due to the lack of in-situ data, the generation is the least known aspect of tsunamis. As a result, simplified models of the source are used for numerical tsunami modeling, as for seismic generation for which the traditional approach neglects several phenomena, among which is the kinematic deformation of the sea floor. This motion canbe characterized by two temporal parameters: the rupture velocity vp and a hydraulic rise time tr. The novelty here, is to investigate both parameters simultaneously and to extend the linear theoretical development to a non-linear numerical study. From these works, a resonance zone is identified for small tr and vp close to the long wave celerity. For these particular values, the waves are amplified beside the sea floor deformation and dispersive effects develop. To illustrate this theory, the 1947 New Zealand tsunami is simulatedwith the Non-Linear Shallow Water and Boussinesq models of Telemac2D. This seismic event corresponds to a tsunami earthquake with slow kinematics of deformation. Four generation models, with different values of vp and tr are compared. The impact of vp on the generated wave amplitudes is strong whereas the influence due to tr is significantly smaller. Additionally, it was found that the expected dispersive effects did not develop during the numerical modeling. Meanwhile, in the scope of the TANDEM project, the validation of the Telemac system is performed through test cases, covering: generation, propagation and run-up of tsunamis. Globally, the models from the Telemac system match the validation data, however we note a reliance on numerical parameters for sensitive cases as the propagation of a solitary wave. Finally, the Non-Linear Shallow Water model of Telemac2D is used to simulate the Tohoku-Oki tsunami that hit Japan in 2011. Thenumerical model succeeds in representing this real event incorporating all the stages of tsunami life, from generation to flooded areas. Some limitations in using the method were found, which one discussed in detail within the present manuscript

L’étude des inclusions fluides individuelles, témoin des paléofluides, pose des défis analytiques majeurs aux géochimistes. La mise au point de la technique LA-ICPMS ouvre des perspectives prometteuses. Un triple objectif autour de l’utilisation de LA-ICPMS pour l’analyse d’inclusions fluides définit cette thèse. Tout d’abord, un travail basé sur la chimiométrie permettant de définir un protocole expérimental adaptable a été couplé à la réalisation de courbes de calibrage sur 3 à 4 ordres de grandeur pour tous les éléments analysés. Le développement d’une démarche rigoureuse basée sur un traitement du signal et un modèle thermodynamique a permis la quantification du contenu ionique (éléments majeurs et traces) des inclusions fluides. Le développement d’un logiciel de traitement des données est venu finaliser cet objectif. Enfin, l’étude de différentes cibles naturelles a été divisée en trois parties. Les halogénures Cl, Br et I sont des informations utiles dans l’étude de l’origine des fluides. Une approche originale basée sur la courbe de calibration de Br a permis d’analyser dans trois types de fluides différents les rapports Cl/Br. La seconde étude a porté sur l’analyse de l’argent et d’autres éléments des paragénèses contenus dans les fluides de différents gisements argentifères. La dernière partie est basée sur la faisabilité d’obtenir les concentrations des terres rares dans des inclusions fluides favorables / The study of paleofluids by using fluid inclusions analysis is an important challenge in geochemistry. The LA-ICPMS technique allows enlarging the field of possibilities by determining the cationic content in fluid inclusions. Three aims, with LA-ICPMS as the thesis centre, are developed here: (i) the calibration of LA-ICPMS associated with a work on chimiometry give the possibility of this analytical technique and experimental protocol adapted; (ii) The development of a calculation method based on Pitzer’s themodynamic model. The quantification of cationic content (trace and major elements) is improved. In parallel, a software is developed to facilitate the processing of raw signal, (iii) the study of different targets is made. The Cl/Br concentration ratios are used to get information of the fluids origin. Then, a analysis on four different natural targets linked with silver deposits is realized. The last point is the feasabilty of the determination of rare earth element in fluid inclusion of Mac Arthur River (Uranium deposit, Canada)

Les phénomènes de transport de matière ainsi que la cinétique des réactions chimiques sont des processus importants en électrochimie car ceux-ci contrôlent le courant mesuré. Dans ce contexte, nous nous intéressons à de simples réactions électrochimiques et à la classe des réactions de transfert couplés électrons-protons (PCET), jouant un rôle important dans les phénomènes biologiques et la conversion d’énergie. Ces réactions impliquent le transfert d’électron(s) et de proton(s) et sont représentées par un schéma carré. Alors que la cinétique de transfert d’électrons est largement étudiée, la cinétique de transfert de protons l’est plus rarement. Ces réactions sont en effet supposées être très rapides alors qu’il existe des situations où les réactions de protonation constituent l’étape limitante. La première partie de la thèse consiste à étudier la cinétique des réactions de protonation en tenant compte de la catalyse de Brönsted. Par le biais de simulations numériques, nous montrons que la catalyse augmente la réversibilité des voltampérogrammes cycliques, à des pH où le transfert couplé s’opère. Les prédictions numériques ont été comparées aux données expérimentales et les résultats sont encourageants car une même tendance est observée. L’accord quantitatif n’est cependant pas satisfaisant à ce stade. Les phénomènes de transport étant connus pour affecter les processus à l’électrode, la seconde partie de la thèse est consacrée à l’étude de l’influence de la convection. Nous commençons par présenter les différentes raisons qui peuvent expliquer les déviations expérimentales par rapport à la diffusion seule, comme la convection naturelle induite par des gradients de densité ou de tension superficielle. Nous présentons le concept de convection spontanée associé aux mouvements microscopiques de la solution. Bien que les fondements théoriques de la convection spontanée soient discutables, la théorie permet de reproduire les résultats d’un certain nombre d’expériences, souvent pratiquées en conditions non contrôlées. Ensuite, nous évaluons l’influence de la convection naturelle sur de simples réactions électrochimiques, avant de passer à l’étude des réactions PCET. Les simulations numériques nous ont permis de prévoir la déviation des chronoampérogrammes par rapport à une situation diffusive en fonction de la durée de l’expérience et de la contribution de chaque espèce à la densité de la solution. Pour une électrode située au bord supérieur, la production d’espèces plus denses amène une déviation du courant plus importante, dû au développement d’instabilités hydrodynamiques. La convection due aux gradients de densité est supposée être accentuée lorsque que les réactions électrochimiques sont couplées avec des réactions chimiques, ce qui est la définition même des PCET. Cependant, nous avons conclu à un impact négligeable de celles-ci, sauf pour de faibles valeurs de constantes cinétiques. Pour conclure, nous avons évalué d’une part l’impact de la convection due aux effets Marangoni et d’autre part son couplage à la convection induite par des gradients de densité. L’influence de ces mouvements convectifs sur le courant résultant dépend des propriétés des réactifs et des produits de la réaction, mais également de la présence d’une surface libre. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Understanding and predicting the consequences of dangerous phenomena linked to the industrial activity is critical to ensure the highest safety level possible. Explosions represent a high risk of fatalities and economic loss and even though the phenomenon is studied in the literature, accidents still occur.The explosion in air of a heterogeneous charge (i.e. an explosive charge surrounded or mixed with a gaseous, solid, or liquid pollutant) has various consequences. While the presence of buildings around the explosion will reduce considerably the impact of most of them, it will affect in more complex ways the propagation of the pressure released, also called bast wave, and the pollutant dispersion. Simplified models to characterize the blast propagation and the dispersion following an explosion are necessary tools for industries to access a first estimation of the risks related to their activities. However, the existing models do not take into account the effect of the urban environment.The global objective of the project is to improve the understanding of the blast propagation and the dispersion inside an urban environment by generating a quantitative database. In parallel to the project, simplified models are being developed by the Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) Gramat (center from the Direction des Applications Militaires (DAM)) and will be validated by the generated experimental database. To achieve this goal, experimental techniques are developed and applied to a controlled reduced-scale urban environment, and a CFD approach is used to facilitate the understanding of the blast experimental results. The challenges associated with the creation of a new experimental system led to innovative solutions in response to technical issues. The main originality of the project is the investigation of explosively driven dispersion under a controlled atmospheric boundary layer, which represents a novelty in the area from the author's knowledge. Existing experimental techniques have been extended and validated for the large dynamic ranges involved in the explosive dispersion. The research is separated into two parts: the investigation of the blast, and the investigation of the dispersion driven by an explosion, both inside an urban environment in a 1:200 reduced scale.In the first part, the blast propagation has been first investigated in free field to characterize the energy, the geometry, and the repeatability of each studied explosives. Then the blast has been studied inside four selected typical urban configurations. To help the understanding of the blast path, a numerical model has been developed in OpenFoam to simulate the propagation and a good overlap between the experimental and numerical results has been observed. The second part of the research focuses on the investigation of the explosively driven dispersion. Micro-sized talc particles have been added around the explosives to simulate the pollutant dispersion. Large-Scale Particle Image Velocimetry (LS-PIV) and Mie-Scattering techniques have been first investigated and validated on a supersonic jet. They have been thereafter applied to the explosively driven dispersion. Three atmospheric conditions, two masses of talc, and two diameters of powder have been investigated, both in free field and inside a T-junction.The experimental techniques used to characterize the explosion of a heterogeneous charge show promising results. They are powerful tools to investigate complex large-scale and large dynamic range flows. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale. / This thesis presents the experimental study of the draft tube inflow of a bulb turbine with a steep drop in performance. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on two axes: downstream of the blades of the wheel and downstream of the wheel hub. A feature of this study is the design of a setup that allows the measurement of the axial velocity near the wall of the cone. In addition, a method of estimating the average radial velocity was developed. These measurements were used to characterize the primary flow and the secondary flows and analyze their evolution between the two axes. Moreover, the evolution of these flows is analyzed according to the turbine performance drop. The main features of the flow are the presence of recirculation downstream of the hub, a counter-rotating area, the guide vane wakes and of the blade tip vortices.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Ce mémoire investigue le phénomène de reconnexion visqueuse de deux tourbillons initialement placés de façon orthogonale ou antiparallèle. Les équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible sont résolues directement (DNS) à l’aide d’un algorithme pseudospectral utilisant des expansions périodiques dans les trois directions cartésiennes. La condition de circulation nulle inhérente à cette méthode numérique est contournée en résolvant les équations dans un repère tournant approprié. Une méthode simple utilisant des lignes de vorticité est proposée afin de calculer le pourcentage de reconnexion instantané η de deux tourbillons. Cette méthode est également employée pour séparer le champ de vorticité en ses composantes reconnectées et non-reconnectées, ce qui facilite l’identification visuelle des différentes étapes du processus de reconnexion. Finalement, l’échelle de temps de la reconnexion tourbillonnaire Trec est calculée pour différents nombres de Reynolds (500 ≤ Re ≤ 10000). Il est trouvé que l’ordre de grandeur de Trec varie de façon continue de [symbol] à mesure que Re augmente. / This work focuses on the viscous reconnection phenomenon of two vortex tubes that are initially antiparallel or orthogonal to each other. The incompressible Navier-stokes equations are solved directly (DNS) using a Fourier pseudospectral algorithm with triply periodic boundary conditions. The associated zero-circulation constraint is circumvented by solving the governing equations in a proper rotating frame of reference. A simple method using vortex lines is proposed to compute the instantaneous reconnection level η of two vortices. The proposed method is also used to split the vorticity field into its reconnected and non-reconnected parts, which allows for a clear and intuitive visual identification of the different reconnection phases. Finally, the Reynolds number dependence of the reconnection timescale Trec is investigated for 500 ≤ Re ≤ 10000. The scaling is found to vary continuously as Re is increased from [symbol].

Ce mémoire présente les résultats de la première étape d'une étude sur un jet circulaire turbulent faiblement chauffé et confiné. Ces travaux, réalisés d'août 2004 à mai 2006, ont mené au développement d'une nouvelle approche expérimentale pour l'étude des jets circulaires confinés. L'étude a été réalisée dans trois enceintes de surfaces différentes, permettant ainsi d'étudier le comportement d'un jet faiblement confiné (pour (An)05 = 42 D) à celui d'un jet moyennement confiné (pour (AR)0,5 = 30Det20D). Les profils de la vitesse et de la température moyennes du jet ont été mesurés et comparés avec des résultats expérimentaux issus de la littérature. Ces essais ont permis d'établir que le jet est autosimilaire à une distance d'environ x/D = 20 en aval de la sortie. La plupart des mesures ont été effectuées dans la région auto-similaire, c'est-à-dire à des distances supérieures à x/D = 20. L'objectif était de vérifier l'effet du nombre de Reynolds sur la diffusion du jet dans la région où la turbulence est pleinement développée. Le mémoire présente aussi une étude expérimentale dans la zone la plus proche de la sortie du jet dénommée "cône potentiel", ainsi que la mesure de l'ordre de grandeur des échelles de Kolmogorov dans la région auto-similaire du jet.