Lors du traitement en poche de l'acier liquide, les inclusions sont transportées vers l'interface métal liquide/laitier où elles sont capturées. Près de l'interface, le mouvement des inclusions est ralenti sous l'effet des interactions hydrodynamiques avec celle-ci. Afin d'étudier ces interactions, deux maquettes froides ont été mises en œuvre, où les inclusions sont modélisées par des billes millimétriques de densité intermédiaire entre celles de deux liquides transparents. Ces dispositifs nous ont permis de mesurer les variations du coefficient de frottement fen fonction de d/R (d est la distance du centre de la bille à l'interface non déformée et R est le rayon de la bille) pour différentes valeurs du nombre de Bond particulaire Bop, du rapport de différences de densités β et du rapport de viscosités λ. Lorsque d⁄(R>2), les points expérimentaux sont en accord avec le modèle de Bart pour une interface indéformable. fdépend fortement de λ et faiblement de  et Bop.Lorsque d⁄(R≤2), on distingue deux modes de relaxation vers l'équilibre. Lorsque 〖Bo〗_p≪1, la déformation reste faible et le régime de Bart est suivi par le régime de Taylor où (f~R)⁄h (h est l'épaisseur du film de liquide séparant la particule de l'interface). Lorsque 〖Bo〗_p≳1, l'interface se déforme significativement pour atteindre localement la courbure de la bille et le drainage du film s'effectue en régime de Reynolds où f~(R⁄h)^3. Les variations de 1/f en fonction de l'écart à l'équilibre présentent une inflexion que nous attribuons à la transition vers le régime de Reynolds et qui apparaît d'autant plus tôt lors de la relaxation vers l'équilibre que λ est élevé. Dans le régime de transition, fne dépend que de l'écart à la position d'équilibre et de λ. En régime de Reynolds, fest une fonction croissante de λ, 〖Bo〗_p et β, en accord avec le modèle de drainage de Hartland.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement du soufre dans des fluides hydrothermaux soumis à un métamorphisme de bas grade. Elle est séparée en trois études interconnectées couplant étude naturelle et expérimentale : i) une étude du cycle du soufre dans les évaporites carniennes de la "Nappe des Gypses" des Alpes françaises comme cas d’étude naturelle a été réalisée, ii) une étude de la spéciation du soufre dans les inclusions fluides associées à ces évaporites triasiques, et iii) une étude expérimentale du rôle de la spéciation du soufre sur le mécanisme de la Thermo-Réduction des Sulfates (TSR) et l’altération des hydrocarbures associée. La première étude repose sur le couplage d’une approche pétrographique classique et d’une étude détaillée des inclusions fluides, des isotopes stable (δ34S, δ33S, δ36S, Δ33S, Δ36S, δ13C et δ18O) et de la matière organique dans la "Nappe des Gypses". Ces études couplées ont permis d’identifier le processus de TSR comme la réaction contrôlant le comportement du soufre dans cette formation en système fermé. La seconde étude repose sur une nouvelle approche analytique couplant spectroscopie Raman in-situ et platine microthermométrique permettant de réchauffer jusqu’à 300°C les échantillons (naturel et synthétique). Ainsi, à température >100°C la présence de l’ion radicalaire S3- et d’autres espèces polymériques du soufre (Snx) a été mise en évidence dans la “Nappe des Gypses”. Cette étude confirme le rôle indispensable à la TSR de l’ion S3- et des Snx dans les fluides naturels. Cette étude naturelle a été complétée par une étude expérimentale préliminaire qui a permis de mettre en place de nouveaux protocoles expérimentaux en autoclave et en capillaires de silice couplés à des analyses spectroscopiques et isotopiques. Ceci afin de mieux comprendre le rôle de la spéciation du soufre dans les interactions entre une phase aqueuse et un fluide hydrocarboné lors de la TSR. Cette thèse conduit à une meilleure compréhension du rôle de la spéciation du soufre et son lien avec des composés organiques lors de la TSR en condition métamorphique de bas grade. Cela ouvre de nouvelles perspectives de compréhension des formations géologiques basées sur le couplage d’études géologiques classiques et d’études géochimiques plus fines / The aim of this thesis is to study the sulfur behavior in hydrothermal fluids subjected to low grade metamorphism. It is separated into three interconnected studies linking natural and experimental study: i) a study of the sulfur cycle in the Carnian evaporites of the "Nappe des Gypses" from the French Alps as a natural case study is performed, ii) a study of the sulfur speciation in fluid inclusions associated to these Triassic evaporites, and iii) an experimental study of the role of sulfur speciation on the Thermochemical Sulfate Reduction (TSR) mechanisms and the associated hydrocarbons alteration. The first study is based on the coupling of a classical petrographic approach associated to a detailed study of fluid inclusions, stable isotopes (δ34S, δ33S, δ36S, Δ33S, Δ36S, δ13C and δ18O) and organic matter in the “Nappe des Gypses”. The coupling study allows to identify the TSR process as the reaction controlling the behavior of sulfur in this formation in a closed system. The second study is based on a new analytical approach coupling in-situ Raman spectroscopy and microthermometric stage. This technique allows to heat up to 300°C samples (natural and synthetic). Thus, at temperature >100°C, the presence of the radical ion S3- and other polymeric sulfur species (Snx) is demonstrated in the “Nappe des Gypses”. This study confirms the essential role in the TSR process of S3- and Snx species in natural fluids. This study natural was completed by a preliminary experimental study allowed to set up new experimental protocols in autoclave and fused silica capillaries coupled to spectroscopic and isotopic analyses. This to better understood the role of sulfur speciation in the interactions between an aqueous phase and a hydrocarbons fluid during the TSR. This thesis leads to a better understanding of the role of sulfur speciation and its link with organic compounds during TSR under low grade metamorphic conditions. This opens new perspectives to understand geological formations based on coupling of classical geological studies and finer geochemical studies

Les principales cibles d'exploration pour les gisements d’uranium de type discordance du bassin d’Athabasca (Canada) sont les structures graphiteuses du socle. Toutes ces structures ne sont pourtant pas fertiles et elles présentent des histoires plus ou moins complexes de circulations fluides successives. Cette thèse propose de déconvoluer les caractéristiques propres à chaque évènement de circulations fluides par une étude multidisciplinaire focalisée sur l’exemple de l’environnement proche du gisement de Cigar Lake. Au cours de l’exhumation tardi-orogénique du socle, la formation de failles ductile-cassantes associées à une circulation intense de fluides à C-O-H-N a permis des enrichissements en graphite et une première évolution pétrophysique des zones endommagées. Ces structures du socle particulièrement fragilisées par la déformation cassante fini-Hudsonienne ont pu être réactivées après dépôt du bassin et devenir des lieux favorables à la convection de saumures sédimentaires. La circulation de saumures sodiques dans le socle a favorisé des interactions fluides-roches à l’origine de la solubilisation de l’uranium, d’altérations K-Mg et d’évolution de composition du fluide vers un pôle plus calcique de plus forte salinité. Enfin une méthodologie d’analyse intégrée des compositions élémentaires majeures, traces et isotopiques U-Pb-O sur oxydes d’uranium est proposée, permettant de déconvoluer les effets des évènements fluides ultérieurs sur la minéralisation primaire. Cinq évènements ont ainsi contribué aux caractéristiques actuelles du gisement de Cigar Lake : Un évènement primaire de circulation de saumures à 1290-1380 Ma, à l’origine de l’ensemble du stock d’uranium ; un événement de circulations fluides à ca. 900 Ma à l’échelle régionale qui n’est pas associé à une reprécipitation d’uranium mais a brechifié et perturbé la chimie des oxydes primaires ; deux évènements tardifs de circulations fluides à ca. 340 et 220 Ma qui ont significativement remobilisé le stock primaire d’uranium. Enfin un dernier épisode récent de circulation d’eaux météoriques est à nouveau à l’origine d’un changement de chimie des oxydes antérieurs et d’une remise à zéro des systèmes isotopiques / The main exploration targets for unconformity-related U deposits of the Athabasca Basin are the graphite-rich structures in the basement. But these are not necessarily fertile. They show distinct features expressing specific events of fluid circulations. This study aims, through a multidisciplinary approach, at unravelling the complex history of fluid flow events recorded in the vicinity of the Cigar Lake deposit. During the basement uplift, at the end of the Trans-Hudson Orogeny, the formation of ductile-brittle shear zones associated to the circulation of C-O-H-N fluids led to hydrothermal graphite enrichments and a petrophysical evolution of damages zones. These graphite-rich shear zones that were specifically weakened by the ante-Athabasca brittle reactivation have been reactivated once more after basin deposition allowing the formation of a developed damage zone especially favorable for sedimentary brine convection. Circulations of NaCl-rich brines in the basement led to brine-rock interactions, and subsequent uptake of uranium and other metals from the basement rocks. The latter have subsequently undergone strong K-Mg alteration whereas the NaCl dominated brines evolved toward a CaCl2-dominated composition with higher salinities. Finally, this thesis sets out an integrated methodology allowing to decipher the complex superimposed geochemical signatures of distinct fluid flow events on the primary uranium oxides. Five fluid flow events contributed to the present day state of the Cigar Lake deposit: a primary event of brine circulation occurred at 1290-1380 Ma and is at the origin of the main U stock; a second basin-scale event of fluid flow occurred at ca. 900 Ma, it brecciated and strongly disturbed the deposit; two later events of fluid flow strongly remobilized the deposit at ca. 340 and 220 Ma and greatly contributed to the actual state of the deposit. Finally a last, rather recent event of fluid flow was at the origin of strong chemical changes in the uranium oxides compositions and strong isotopic resetting

Les simulations dépendant du temps sont toujours un challenge dans l'industrie, notamment à cause des problèmes posés par les géométries mobiles en termes de CPU et de précision. Cette thèse présente des contributions à certains aspects des simulations en géométrie mobile. Un algorithme de bouger de maillage fondé sur une déformation de maillage sur un grand pas de temps et des changements de connectivité (swaps) est étudié. Une méthode d'élasticité et une méthode d'interpolation directe sont comparées en 3D, démontrant l'efficacité de l'algorithme. Cet algorithme est couplé à un solver ALE, dont les schémas et l'implémentation en 3D sont décrits en détail. Une interpolation linéaire est utilisée pou traiter les swaps. Des cas de validation montrent que les swaps n'influent pas notablement sur la précision de la solution. Plusieurs examples complexes en 3D démontrent la puissance de cette approche, pour des mouvement imposés ou pour des problèmes d'Interaction Fluide-Structure. L'adaptation de maillage anisotrope a démontré son efficacité pour améliorer la précision des calculs stationnaires pour un coût raisonnable. On considère l'extension de ces méthodes aux problèmes instationnaires, en mettant à jour l'algorithme de point fixe précédent grâce à une ananlyse de l'erreur espace-temps fondée sur le modèle de maillage continu. Une parallélisation efficace permet de réaliser des simulations adaptatives instationnaires avec une précision inégalée. Cet algorithme est étendu au cas des géométries mobiles en corrigeant la métrique optimale instationnaire. Finalement, plusieurs exemples 3D de simulations adaptatives en géométries mobiles démontrent l'efficacité de l'approche. / Time dependent simulations are still a challenge for industry, notably due to problems raised by moving boundaries, both in terms of CPU cost and accuracy. This thesis presents contributions to several aspects of simulations with moving meshes. A moving-mesh algorithm based on a large deformation time step and connectivity changes (swaps) is studied. An elasticity method and an Inverse Distance Weighted interpolation method are compared on many 3D examples, demonstrating the efficiency of the algorithm in handling large geometry displacement without remeshing. This algorithm is coupled with an Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) solver, whose schemes and implementation in 3D are described in details. A linear interpolation scheme is used to handle swaps. Validation test cases showed that the use of swaps does not impact notably the accuracy of the solution, while several other complex 3D examples demonstrate the capabilities of the approach both with imposed motion and Fluid-Structure Interaction problems. Metric-based mesh adaptation has proved its efficiency in improving the accuracy of steady simulation at a reasonable cost. We consider the extension of these methods to unsteady problems, updating the previous fixed-point algorithm thanks to a new space-time error analysis based on the continuous mesh model. An efficient p-thread parallelization enables running 3D unsteady adaptative simulations with a new level of accuracy. This algorithm is extended to moving mesh problems, notably by correcting the optimal unsteady metric. Finally several 3D examples of adaptative moving mesh simulations are exhibited, that prove our concept by improving notably the accuracy of the solution for a reasonable time cost.

L'étude de l'écoulement, du transport de masse et des échanges isotopiques en milieu fracturé est nécessaire à la compréhension des gîtes minéraux d'affiliation hydrothermale. L'application du modèle de simulation numérique HydroSphère, intégrant le transport de masse par advection, diffusion, et dispersion hydrodynamique, ainsi que les échanges isotopiques, à l'écoulement tridimensionnel dans une matrice discrètement fracturée, permet d'approfondir les connaissances fondamentales sur ces sujets. Des simulations étudiant différentes configurations de fracture et conditions limites hydrogéologiques ont été faites. L'étude des patrons d'isoplèthes de O pour différents types de fractures et de systèmes fracturés ayant un degré croissant de complexité, révèle que les fractures dominent les mécanismes de transport et d'échange isotopique. C'est donc leur nombre, leur orientation, leurs propriétés hydrauliques et leur connectivité qui déterminent la forme des patrons d'isoplèthes modélisés. Il est possible d'interpréter certaines asymétries dans la géométrie des patrons d'isoplèthes pour déterminer la direction d'écoulement des fluides hydro thermaux. / An understanding of fluid flow, mass transport and isotopic exchange in fractured rock is required to understand the origin of hydrothermal deposits. The numerical model HydroSphere simulates advection, molecular diffusion, mechanical dispersion and isotopic exchange in a 3D discretely fractured media. HydroSphere was used to better understand the processes of transport and exchange in fractured rocks. Study of 18O isopleth patterns for different types of fractures and fracture networks with a range of complexity, shows that fracture properties and geometry control mass transport and isotopic exchange. The hydraulic properties, as well as the number, spacing and connectivity of fractures determine the isotopic patterns. Asymmetries in the geometry of isotopic patterns could be used to determine the direction of hydrothermal fluid flow.

Ce mémoire de maîtrise présente le travail effectué pour concevoir et réaliser un canal hydrodynamique. Ce canal permettra un étalonnage rapide et précis de capteurs de frottement de type film chaud. Lors de ce projet, des simulations numériques ont été effectuées pour valider le rapport de forme et la longueur de développement du canal permettant d’atteindre un écoulement pleinement développé et bidimensionnel. Une étude structurelle et hydraulique du canal a ensuite permis de vérifier le respect du cahier des charges. Enfin, des mesures de vitesse dans la veine d’essai ont été effectuées à l’aide d’un système LDV. Les profils obtenus ont montré que l’écoulement peut être considéré pleinement développé et bidimensionnel dans cette zone. Cependant, quelques différences par rapport à la littérature et aux simulations numériques ont été détectées. L’étude de l’influence de certains paramètres a permis de déterminer des pistes d’amélioration pour une estimation plus précise du frottement. / This Master’s thesis presents the design of a hydraulic tunnel. The bench should allow calibrating wall shear stress hot-film probes easily and rapidly. During this project, 3D CFD simulations have been performed to find minimum aspect ratio and minimum length of development to reach 2D fully developed flow. Then, mechanical and hydraulic analyses have been carried out to determine if the design conforms to specifications. After manufacturing, velocity and pressure measurements have been performed respectively with a LDV system and differential pressure sensor. By comparing different velocity profiles, it has been confirmed that the flow in test section is 2D fully developed. However, some discrepancies with the literature and the CFD simulations have been detected. The study of some parameters allowed to determine possible causes for these differences and to propose future studies to improve wall shear stress estimation.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Le travail de recherche présenté dans ce mémoire vise à étudier l'impact de la flexibilité de la corde sur l'aérodynamique d'ailes oscillantes en régime de propulsion à bas Reynolds pour une application de nano-véhicules aériens et pour ce faire, de développer un outil de modélisation aéroélastique approprié. L'idée de base de ce projet est de considérer une flexibilité discrète avec une aile articulée composée de segments rigides reliés entre eux par des joints torsionnels élastiques. Une telle approche de flexibilité discrète implique la résolution de la dynamique des corps rigides couplée à la résolution d'un écoulement de fluide incompressible. La méthode des particules lagrangiennes vortex est utilisée pour résoudre l'écoulement autour de ces multiples corps rigides en mouvement arbitraire. Le couplage fluide-structure im-plémenté permet de prendre en considération iV segments rigides dont la dynamique est gouvernée à la fois par un mouvement imposé sur l'un d'eux, par les forces aérodynamiques générées par l'écoulement à chaque instant et par les forces élastiques des joints unissant les segments entre eux. L'ajout d'une boucle de sous-itérations supplémentaire dans la méthode vortex a été nécessaire pour doter cette interaction fluide-structure (FSI) d'un couplage "fort". La mise au point d'un tel outil a permis d'étudier l'impact de divers paramètres de flexibilité discrète sur la propulsion à aile oscillante à bas nombre de Reynolds. On constate qu'il est possible d'augmenter les performances d'une aile oscillante en propulsion (soit en poussée ou soit en rendement énergétique) en modifiant la position et la rigidité des articulations élastiques ou le ratio de densité des corps solides par rapport au fluide. Ce travail ouvre donc la voie à l'optimisation de la distribution de flexibilité le long de la corde pour les applications aérodynamiques à faibles nombres de Reynolds.

Avec la généralisation du recours à l’infographie dans l’industrie des loisirs, la demande concernant la production de scènes de simulation de fluides d’un réalisme croissant a fortement augmenté durant les deux dernières décennies. Nous proposons de nombreux éléments pertinents pour simuler le fluide, essentiellement tournés vers l’approche lagrangienne (les méthodes particulaires). Cette présentation a donc pour objet l’étude et la mise au point de techniques permettant de reproduire le comportement des fluides s’appuyant sur l’aspect particulaire du fluide. Les algorithmes de ces dernières années permettent un gain de performance significatif, nous permettant d’obtenir des simulations de fluides incompressibles en temps réel. L’usage des noyaux constants par morceaux, nouvel outil de calcul numérique, au sein de simulations de fluides dites lagrangiennes sera également abordé. Avec l’augmentation continue de la puissance de calcul et de nouvelles avancées telles que la programmation dite GPGPU, nous verrons également comment obtenir une recherche de voisinage efficace permettant d’augmenter grandement les performances de calcul.

Le groupe de recherche CAMUS de l'Université de Sherbrooke a conceptualisé et breveté en 2011 une nouvelle architecture de turbine à gaz nommé SRGT (Supersonic Rim-Rotor Gas Turbine). Aucune démonstration expérimentale n’a encore permis d’évaluer ses performances. Ce projet de maitrise consiste donc à l’analyse de la dynamique des gaz d’une turbomachine de type SRGT afin d’évaluer la possibilité de générer de la puissance nette positive en régime permanent. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir les composantes aérodynamiques d’une turbine à gaz SRGT en mode supersonique et de caractériser l’écoulement sur toute la plage d’opération du moteur. Ainsi, on pourra évaluer le potentiel de cette technologie et la pertinence de continuer le développement vers un produit futur. L’évaluation des performances aérodynamiques des composantes du moteur a été effectuée selon un modèle analytique 1D généralisé des écoulements compressibles et selon l’analyse des triangles des vitesses. Des simulations numériques par la méthode de la mécanique des fluides numérique (CFD) ont permis de valider le modèle analytique du moteur. Le point d’opération du moteur (vitesse du moteur de 125 000 rpm, débit massique d’air de 130 g/s, rapport de pression du compresseur de 2.75 et température maximum à l’entrée de la turbine de 1000 K) a été sélectionné afin de produire une puissance nette de plus de 1 kW. Un prototype a été fabriqué et mis en fonction sur un banc de test développé spécialement pour le moteur. L’expérimentation a démontré que le compresseur peut fournir un rapport de pression de plus de 1.35 à 100 krpm pour un débit massique d’air supérieur à 50 g/s. La carte de performance du compresseur a été obtenue expérimentalement ainsi que ses limites d’opérations (limite de blocage et de pompage) pour des vitesses jusqu’à 90 krpm. Des tests d’allumage ont démontré que le moteur avait un gain de puissance de plus de 1 kW durant sa phase d’accélération, bien que la puissance nette du moteur reste négative. La caractérisation de la turbine n’a pas pu révéler si sa conception était adéquate en mode supersonique. L’expérimentation du prototype n’a pas permis de valider si le moteur peut produire une puissance nette positive en régime permanent.

Aujourd'hui divers systèmes de propulsion marins existent dont les systèmes de propulsion à jet. De nombreuses études ont été réalisées au cours des vingt dernières années et plus particulièrement par le biais de la simulation numérique ( Computational Fluid Dynamics , ( CFD )). Un modèle numérique simulant l'écoulement au travers un système de propulsion avec une pompe en rotation est développé dans ce projet. Il est également validé avec des résultats expérimentaux obtenus par d'autres chercheurs. Pour se [i.e. ce] faire, différentes étapes sont réalisées. En premier lieu, des paramètres tels que le maillage, le modèle de turbulence ou la modélisation de la rotation du rotor sont validés numériquement sur deux géométries. Le premier cas, bien documenté, correspond à un écoulement au travers une conduite en forme de"S" de section divergente et validé expérimentalement. Le second cas est une pompe où le rotor est en mouvement dans l'écoulement. Un modèle à multiple systèmes de référence ( Multiple Reference Frame,MFR ) est utilisé pour simuler la rotation de la pompe. Les paramètres numériques sont alors fixés pour la suite de l'étude. Ensuite un inodéle numérique d'un système de propulsion à jet d'une motomarine est développé dans un volume de contrôle réduit. Il prend en compte l'ensemble de la géométrie de la propulsion : la pompe en rotation, le venturi et une partie de la coque réelle du véhicule. Les conditions aux frontières sous la coque sont imposées grâce aux données d'une simulation complète du véhicule entier. Ce modèle est validé expérimentalement à deux vitesses (25 mph et 69 mph). Le comportement de l'écoulement est ensuite analysé. Finalement diverses variations géométriques sont effectuées telles que la supression [i.e. suppression] d'appendices dans la conduite ou le déplacement latéral de la lèvre de l'entrée d'eau à divers IVR, Inlet Velocity Ratio (rapport entre la vitesse du véhicule et celle de la pompe). Une augmentation des performances du système est observée à un certain IVR pour une supression [i.e. suppression] d'appendice donnée. La présence d'une plaque permettant le redressement de l'écoulement au niveau de la grille est néfaste à la poussée de même que la présence de l'arbre ou d'ailettes situées à l'entrée de la pompe. Le déplacement de la lèvre a pour objectif de déterminer la position optimale qui permet d'obtenir la meilleure augmentation de performance pour un IVR .