Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1983. N°: 767.

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 8.

Le présent mémoire porte sur l'étude d'un assemblage de cylindres tournants alignés perpendiculairement à un écoulement de fluide. L'objectif est de maximiser l'échange thermique entre les cylindres et le fluide pour un volume donné. À l'aide d'un modèle numérique, les équations de continuité, de Navier-Stokes et de conservation de l'énergie sont résolues puis, la densité de taux de transfert de chaleur est calculée (qui prend en compte l'encombrement de l'assemblage). Celle-ci constitue la quantité à maximiser. Pour cela, il est possible de varier l'espacement entre deux cylindres successifs. Les paramètres fixés dans cette étude sont la vitesse de rotation des cylindres et le gradient de pression dans l'écoulement du fluide (nombre de Bejan). On distingue deux configurations possibles : celle où les cylindres tournent tous dans un même sens, puis celle où le sens de rotation est alterné successivement entre chaque cylindre. Les simulations ont montré que le cas d'un assemblage de cylindres tournants avec sens de rotation alterné est la configuration optimale qui permet de maximiser la densité de taux de transfert thermique. Par la suite, l'efficacité d'un espacement non uniforme entre cylindres a été montrée. En effet, au lieu que les cylindres soient espacés d'une manière equidistante, on peut considérer une configuration telle qu'il y ait une succession de deux cylindres rapprochés puis de deux cylindres éloignés. L'introduction d'une telle excentricité s'est révélée bénéfique en terme de densité de taux de transfert de chaleur. Les résultats de cette étude pourraient être utilisés pour la conception d'échangeur de chaleur haute performance ou de système de dissipation de chaleur. En effet, l'espacement optimal entre les cylindres en rotation et la performance du système pourraient être estimés grâce aux résultats présentés ici. / In this work, we study the thermal behavior of an assembly of rotating cylinders aligned in a cross-flow. Our objective is to maximize the heat transfer density, i.e. the overall heat transfer rate per unit volume. A numerical model is used to solve the conservation equations and to calculate the heat transfer rate density which is to be maximized. In order to do that, many parameters can be varied, such as angular velocity of the cylinders, spacing between cylinders or flow pressure gradient. Two different configurations are used in this work: assembly of co-rotating cylinders and assembly of counter-rotating cylinders. Numerical calculations showed that the counter-rotating configuration is the more efficient in terms of thermal exchange. Also, the assumption of constant spacing between consecutive cylinders was released and it appears that asymmetrical positioning of the cylinders is beneficial in terms of the heat transfer rate density. Indeed, there is an eccentricity for which the thermal exchange efficiency is maximum. The present results could be used for the design of heat exchangers or heat dissipators with rotating cylinders.

The understanding of the physics of the Coherent Structures and their interaction with the remaining fluid motions is of paramount interest in Turbulence Research. <p>Indeed, recently had been suggested that separating and understanding the the different physical behavior of Coherent Structures and "uncoherent" background might very well be the key to understand and predict Turbulence. Available understanding of Coherent Structures shows that their size is considerably larger than the turbulent macro-scale, making permissible the application of Large Eddy Simulation to their simulation and study, with the advantage to be able to study their behavior at higher Re and more complex geometry than a Direct Numerical Simulation would normally allow. Original purpose of the present work was therefore the validation of the use of Large Eddy Simulation for the study of Coherent Structures in Shear-Layer and the its application to different flow cases to study the effect of the flow topology on the Coherent Structures nature.<p>However, during the investigation of the presence of Coherent Structures in numerically generated LES flow fields, the aging in house Large Eddy Simulation (LES) code of the Environmental & Applied Fluid Dynamics Department has shown a series of limitations and shortcomings that led to the decision of relegating it to the status of Legacy Code (from now on indicated as VKI LES legacy code and of discontinuing its development. A new natively parallel LES solver has then been developed in the VKI Environmental & Applied Fluid Dynamics Department, where all the shortcomings of the legacy code have been addressed and modern software technologies have been adopted both for the solver and the surrounding infrastructure, delivering a complete framework based exclusively on Free and Open Source Software (FOSS ) to maximize portability and avoid any dependency from commercial products. The new parallel LES solver retains some basic characteristics of the old legacy code to provide continuity with the past (Finite Differences, Staggered Grid arrangement, Multi Domain technique, grid conformity across domains), but improve in almost all the remaining aspects: the flow can now have all the three directions of inhomogeneity, against the only two of the past, the pressure equation can be solved using a three point stencil for improved accuracy, and the viscous terms and convective terms can be computed using the Computer Algebra System Maxima, to derive discretized formulas in an automatic way.<p>For the convective terms, High Resolution Central Schemes have been adapted to the three-dimensional Staggered Grid Arrangement from a collocated bi-dimensional one, and a system of Master-Slave simulations has been developed to run in parallel a Slave simulation (on 1 Processing Element) for generating the inlet data for the Master simulation (n - 1 Processing Elements). The code can perform Automatic Run-Time Load Balancing, Domain Auto-Partitioning, has embedded documentation (doxygen), has a CVS repository (version managing) for ease of use of new and old developers.<p>As part of the new Frame Work, a set of Visual Programs have been provided for IBM Open Data eXplorer (OpenDX), a powerful FOSS Flow visualization and analysis tool, aimed as a replacement for the commercial TecplotTM, and a bug tracking mechanism via Bugzilla and cooperative forum resources (phpBB) for developers and users alike. The new M.i.O.m.a. (MiOma) Solver is ready to be used again for Coherent Structures analysis in the near future. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La dynamique des écoulements géophysiques planétaires est fortement influencée par des processus physiques souvent non résolus par les modèles numériques de circulation générale. Il est essentiel de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents pour paramétrer l’effet des petites échelles sur les grandes. Dans cette thèse, nous étudions un problème emblématique d’interactions entre ondes et écoulements moyens : la dynamique des écoulements zonaux forces par des ondes internes de gravite. Une manifestation remarquable de ces interactions est l’oscillation quasi-biennale (QBO) des vents équatoriaux dans l’atmosphère terrestre. Dans un premier temps, nous décrivons une transition vers le chaos dans un modèle quasi-linéaire classique du QBO. Nous montrons que ces bifurcations persistent dans des simulations numériques directes. A l’aune de ces résultats, nous proposons une interprétation de l’observation d’une rupture inattendue de la périodicité du QBO en 2016. Le mécanisme de génération d’écoulements moyens par les ondes dans les fluides stratifies nécessite la prise en compte d’effets dissipatifs. Il s’agit d’un phénomène analogue au "streaming" acoustique. Dans un second temps nous exploitons cette analogie en étudiant la génération d’écoulements moyens par les ondes internes proche d’une paroi, a l’aide d’approches asymptotiques multi échelles. Finalement, nous proposons une approche inertielle pour décrire l’émergence spontanée d’écoulements vorticaux en présence d’ondes : nous appliquons les outils de mécanique statistique pour calculer la partition d’énergie entre petites et grandes échelles dans le modèle d’eau peu profonde. / The dynamics of planetary-scale geophysical flows is strongly influenced by physicalprocesses, mostly unresolved by general circulation numerical models. To parametrisethe coupling between small and large scales, it is essential to understand the underlying physical mechanisms. In this thesis, we study an emblematic problem of interactions between waves and mean flows: the dynamics of zonal flows forced by internal gravity waves. A striking manifestation of these interactions is the quasi-biennial oscillation (QBO) of equatorial winds in the Earth’s atmosphere. First, we describe a transition to chaos in a classical quasilinear model of the QBO and show that these bifurcations persist in direct numerical simulations. Based on these results, we suggest an interpretation for the observation of the unexpected periodicity disruption of the QBO in 2016. The mechanism by which mean flows are generated by waves in stratified fluids requires the consideration of dissipative effects. This phenomenon is analogous to acoustic "streaming". In a second time, we exploit this analogy to study the generation of mean flows by internal gravity waves close to a wall, using multi-scale asymptotic approaches. Finally, we propose an inertial approach to describe the spontaneous emergence of vortical flows in the presence of waves: we apply the tools of statistical mechanics to calculate the partition of energy between small and large scales in the shallow-water model.

La digitation visqueuse est une instabilité hydrodynamique apparaissant lorsque, dans un milieu poreux, un fluide moins visqueux déplace un fluide plus visqueux. L'objectif de notre thèse est l'étude expérimentale des propriétés des motifs de digitation lorsque l'échantillon de fluide visqueux est de taille finie et lorsqu'une réaction chimique modifie la viscosité dans un milieu poreux modèle, en l'occurrence une cellule de Hele-Shaw. En particulier, notre étude a permis de quantifier la contribution de dispersion et de la digitation visqueuse, l'étalement dans l'espace d'échantillons de taille finie en fonction des paramètres expérimentaux (contraste de viscosité, vitesse de déplacement et taille de l'échantillon). Pour les fluides réactifs, nous analysons la digitation induite par une réaction A + B C dont le produit C est plus visqueux que les réactifs A et B, ceux-ci ayant la même viscosité. Nous mettons en évidence l'effet des concentrations en réactifs, du choix du fluide vecteur et du débit d'injection sur le motif de digitation. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The aim of the thesis is the development and improvement of the experimental techniques for fluid examination. The thesis consists of two parts and both examine heat and mass transfer in liquids using the optical methods and thermal analysis. The first part deals with the measurement techniques for studying flow patterns and their stability in systems with gas/liquid interface, in particular, in a liquid bridge system. The second part is aimed at the improvement of the existing experimental techniques to study the heat/mass transfer in the mixtures with Soret effect, enclosed in a container.<p><p>Part A is motivated by preparation of the experiment JEREMI (The Japanese-European Research Experiment on Marangoni Instability) to be performed on the International Space Station (ISS). One of the objectives of the experiment is the control of the threshold of an oscillatory flow in the liquid zone by the temperature and velocity of the ambient gas. The developed set-up for a liquid bridge allows to blow gas parallel to the interface at different temperatures and investigate the effects of viscous and thermal stresses on the stability of the flow. The present study reports on isothermal experiments with moving gas and non-isothermal experiments with motionless gas when the cooling of the interface occurs due to evaporation. The discussion concerning the experimental observations is based on two sources: an interface shape measured optically and the records on thermocouples giving an indication of how temperature and frequency evolve over time.<p><p>Part B is related to ground-based studies in course of preparation and realization of the microgravity experiment DCMIX (Diffusion Coefficient in MIXtures). DCMIX project is a series of experiments aimed at measuring of the Soret coefficients in liquid mixtures on the ISS which involves a wide international group of scientists. Two experiments have been recently completed and the third one is under preparation In the course of this thesis all the aspects of the previously existing set-up for measurements of the Soret (thermal diffusion) and diffusion coefficients in binary mixtures were studied, uncertainties were identified and improvements were done to obtain reliable results. The final design has been validated by measuring coefficients in three binary benchmark mixtures and water-isopropanol. The obtained results agree well with literature data. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this dissertation, we are concerned with the numerical simulation for flows of electrically conducting fluids exposed to an external magnetic field (also known as magnetohydrodynamics or in short MHD). The aim of the present dissertation is twofold. First, the in-house CFD hydrodynamic solver SFELES is extended to MHD problems. Second, MHD turbulence is studied in the simple configuration of a MHD pipe flow within an external transverse magnetic field. Chapter 2 of this dissertation aims at reminding the physical equations that govern incompressible MHD problems. Two equivalent formulations are put forward in the particular case of quasi-static MHD. Chapter 3 is devoted to the detailed development of the hybrid spectral - stabilized finite element methods for quasi-static MHD problems. The extension of SFELES is made for both Cartesian and axisymmetric systems of coordinates. The short chapter 4 follows to provide the performances of SFELES executed by several processes in a parallel environment. The addition of a parallel direct solver is studied in regards with the memory and time requirements. The extension of SFELES is then validated in chapter 5 with test cases of increasing complexity. For this purpose, laminar flows with an existing analytical-asymptotic solution are considered. The subject of chapter 6 is the MHD turbulent pipe flow within an external transverse and uniform magnetic field. The results are partially compared with the corresponding hydrodynamic flow and with a few data available in the literature. / Le thème de cette thèse de doctorat est la simulation numérique d'écoulements de fluides conducteurs d'électricité qui sont exposés à un champ magnétique extérieur (également connu sous le nom de magnétohydrodynamique ou encore MHD). L'objectif de ce travail est double. Premièrement, le code CFD maison SFELES est étendu aux problèmes MHD. Deuxièmement, la turbulence MHD est étudiée dans la configuration de l'écoulement en conduite cylindrique à l'intérieur d'un champ magnétique transverse. Le chapitre 2 de cette thèse a pour but de rappeler les équations qui gouvernent les problèmes de MHD incompressible. Deux formulations équivalente sont mises en évidence dans le cas particulier de la MHD quasi-statique. Le chapitre 3 est dévoué au développement détaillé des méthodes spectrale - éléments finis pour la MHD quasi-statique. L'extension de SFELES est réalisée dans les systèmes de coordonnées cartésiennes et axisymétriques. Le court chapitre 4 suit pour fournir les performances de SFELES exécuté sur plusieurs processeurs dans un environnement parallèle. L'ajout d'un solveur parallèle direct est étudié en ce qui concerne les demandes en temps et mémoire. L'extension de SFELES est alors validée dans le chapitre 5 avec des cas d'étude de complexité croissante. Dans ce but, des écoulements laminaires avec solution théorique-asymptotique sont envisagés. Le sujet du chapitre 6 est l'écoulement MHD turbulent en conduite cylindrique à l'intérieur d'un champ magnétique transverse et uniforme. Les résultats sont partiellement comparés avec l'écoulement hydrodynamique correspondant et avec des données disponibles dans la littérature. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis is dedicated to the study of the interaction between a gas jet and a liquid film on a moving surface. This flow configuration corresponds to the gas-jet wiping technique, which is widely used in the coating industry to reduce and control the thickness of a liquid film dragged by a moving substrate. For that purpose, a turbulent slot jet impinges on the liquid surface, involving a runback flow and consequently a lower coating thickness downstream wiping. The different process parameters (nozzle pressure, nozzle to substrate standoff distance, slot width, substrate speed) allow controlling the final film thickness. This metering technique is very common in coating processes, such as the application of gelatin layers on photographic films.<p><p>The first part of this thesis deals with the prediction of the mean jet wiping flow, i.e. the film thickness distribution in the wiping region. A lubrication model is developed for that purpose, which is simplified to a zero-dimensional model giving directly the final thickness<p><p>In the second part, the prediction of splashing occurrence in jet wiping is addressed. The splashing phenomenon in jet wiping is featured by the ejection of droplets from the runback flow, and it constitutes a physical limit to the process. An experimental investigation is conducted on a water model facility, and based on a phenomenological description, a dimensionless correlation in terms of film Reynolds number and jet Weber number is derived for splashing occurrence. The latter is perfectly well validated with observations on industrial lines.<p><p>The last part of this thesis is dedicated to the study of the unsteady phenomena occurring on the free surface of the liquid film downstream wiping. This phenomenon has never been understood nor characterized up to now. In the present research, undulation is investigated both theoretically and experimentally. Two model test facilities with dedicated measurement techniques have been designed and constructed. They allow performing parametric studies of the undulation characteristics (amplitude, wavelength, wave velocity), and analyzing the jet/film interaction.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans les réacteurs industriels ou dans la nature, l'écoulement de fluides peut être couplé à des réactions chimiques. Dans de nombreux cas, il en résulte l'apparition de structures complexes dont les propriétés dépendent entre autres de la géométrie du système.<p><p>Dans ce contexte, le but de notre thèse a été d'étudier de manière théorique et sur des modèles réaction-diffusion-convection simples les propriétés de dynamiques spatio-temporelles résultant du couplage chimie-hydrodynamique. <p>Nous nous sommes focalisés sur les instabilités hydrodynamiques de digitation visqueuse et de densité qui apparaissent respectivement lorsqu'un fluide dense est placé au-dessus d'un fluide moins dense dans le champ de gravité et lorsqu'un fluide visqueux est déplacé par un fluide moins visqueux dans un milieu poreux.<p><p>En particulier, nous avons étudié les problèmes suivants:<p>- L'influence d'une réaction chimique de type A + B → C sur la digitation visqueuse. Nous avons montré que les structures formées lors de cette instabilité varient selon que le réactif A est injecté dans le réactif B ou vice-versa si ces réactifs n'ont pas un coefficient de diffusion ou une concentration initiale identiques.<p>- Le rôle de pertes de chaleur par les parois du réacteur dans le cadre de la digitation de densité de fronts autocatalytiques exothermiques. Nous avons caractérisé les conditions de stabilité de fronts en fonction des pertes de chaleur et expliqué l'apparition de zones anormalement chaudes lors de cette instabilité.<p>- L'influence de l'inhomogénéité du milieu sur la digitation de densité de solutions réactives ou non. Nous avons montré que les variations spatiales de perméabilité d'un milieu poreux peuvent figer ou faire osciller la structure de digitation dans certaines conditions.<p>- L'influence d'un champ électrique transverse sur l'instabilité diffusive et la digitation de densité de fronts autocatalytiques. Il a été montré que cette interaction peut donner lieu à des nouvelles structures et changer les propriétés du front.<p><p>En conclusion, nous avons montré que le couplage entre réactions chimiques et mouvements hydrodynamiques est capable de générer de nouvelles structures spatio-temporelles dont les propriétés dépendent entre autres des conditions imposées au système.<p>/<p>In industrial reactors or in nature, fluid flows can be coupled to chemical reactions. In many cases, the result is the emergence of complex structures whose properties depend among others on the geometry of the system.<p>In this context, the purpose of our thesis was to study theoretically using simple models of reaction-diffusion-convection, the properties of dynamics resulting from the coupling between chemistry and hydrodynamics.<p><p>We focused on the hydrodynamic instabilities of viscous and density fingering that occur respectively when a dense fluid is placed above a less dense one in the gravity field and when a viscous fluid is displaced by a less viscous fluid in a porous medium.<p><p>In particular, we studied the following issues:<p>- The influence of a chemical reaction type A + B → C on viscous fingering. We have shown that the fingering patterns observed during this instability depends on whether the reactant A is injected into the reactant B or vice versa if they do not have identical diffusion coefficients or initial concentrations.<p>- The role of heat losses through the reactor walls on the density fingering of exothermic autocatalytic fronts. We have characterized the conditions of stability of fronts depending on heat losses and explained the appearance of unusually hot areas during this instability.<p>- The influence of the inhomogeneity of the medium on the density fingering of reactive solutions or not. We have shown that spatial variations of permeability of a porous medium may freeze or generate oscillating fingering pattern under certain conditions.<p>- The influence of a transverse electric field on the Rayleigh-Taylor and diffusive instabilities of autocatalytic fronts. It was shown that this interaction may lead to new structures and may change the properties of the front.<p><p>In conclusion, we showed that the coupling between chemical reactions and hydrodynamic motions can generate new space-time structures whose properties depend among others, on the conditions imposed on the system. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished