Ce mémoire s'inscrit dans le cadre plus général d 'un projet multidisciplinaire mené à l'Université Laval sur la technologie des aéro/hydrogénérateurs à ailes oscillantes. Cette partie du projet s'intéresse plus particulièrement à une mesure expérimentale des forces s'exerçant sur une aile oscillante. Pour y arriver, cette étude se découpe en deux phases bien distinctes. Tout d 'abord, il s'est révélé primordial de caractériser et d 'optimiser au mieux l'environnement de travail. Au cours de cette première phase, la mise en place de pertes de charge accompagnée par des mesures de vitesse dans le canal furent effectuées. De même, le système mécanique devait être piloté afin de reproduire le plus fidèlement possible les mouvements demandés. Par la suite, la deuxième phase impliquait la création puis l'utilisation d 'un instrument de mesure. Une comparaison avec des résultats issus de simulation numérique a alors permis de valider le concept de la balance hydrodynamique. Toutefois, plusieurs problèmes furent identifiés et des recommandations faites en vue de travaux futurs.

Cette maîtrise s'inscrit dans la continuité d'un projet multidisciplinaire de grande envergure se déroulant à l'Université LAVAL, qui a pour but d'analyser les différentes caractéristiques et d'étudier la faisabilité d'une nouvelle technologie de production d'énergie : l'hydrogénérateur à ailes oscillantes. On s'intéresse ici à l'étude expérimentale des forces hydrodynamiques créées par un écoulement d'eau autour de ces ailes. M. Jean-Frederick Faure ayant déterminé dans un précédent mémoire les différentes technologies permettant la mesure de ces forces, ce mémoire présente essentiellement les travaux concernant l'amélioration du montage (installation et étalonnage des nouveaux instruments de mesure) et les résultats et analyses découlant des différents essais réalisés. Des efficacités énergétiques supérieures à 30% ont pu être trouvées et comparées favorablement avec les valeurs de simulations numériques effectuées à l'Université Laval. Une campagne d'essai a en outre permis d'évaluer l'influence des différents paramètres du mouvement (fréquence de cycle, amplitudes de pilonnement et de tangage) sur cette efficacité.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide. Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée. Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices. Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices. / This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speed-no-load. Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected. To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle. The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.

Nous étudions expérimentalement le comportement d'un film liquide, dit de Landau-Levich, lorsqu'il s'évapore dans une atmosphère constituée uniquement de sa vapeur.La dynamique de ce type de film est un paramètre-clef qui gouverne le fonctionnement des caloducs oscillant (en anglais PHP - Pulsating Heat Pipes). Les PHP sont des liens thermiques de forte conductance. Les recherches récentes leur attribuent un pouvoir de refroidissement très élevé, ce qui les rend particulièrement convoités par l'industrie. Leur géométrie est simple : il s'agit d'un tube capillaire enroulé en plusieurs branches entre une partie froide (condenseur) et une partie chaude (évaporateur). Le tube est rempli d'un fluide pur diphasique, c'est-à-dire présent sous la forme d'une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Lorsque la différence de température entre l’évaporateur et le condenseur dépasse un certain seuil, les bulles et bouchons commencent à osciller dans le tube, entre les deux parties, ce qui permet au PHP de transférer la chaleur.Notre installation expérimentale représente un PHP dans sa configuration la plus simple, à branche unique. Une interface liquide-vapeur oscille dans un tube de section rectangulaire, et dépose un film liquide à chaque passage. Nous nous intéressons au mécanisme qui permet l'entretien de l'oscillation de l'interface, et fixe sa fréquence. L'équation de mouvement obtenue prend en compte la dissipation visqueuse engendrée par un écoulement oscillant. Dans les modèles actuels de PHP, l'hypothèse d'un écoulement de type Poiseuille est formulée. Or, notre approche montre que l'hypothèse d'un écoulement faiblement inertiel est mieux adaptée, conduit à une dissipation deux fois supérieure.Le dispositif expérimental permet l'observation du film. Une combinaison originale de méthodes optiques permet également de mesurer sa longueur et son épaisseur, et de reconstruire son profil 3D à chaque instant. Nous pouvons suivre l'évolution du film tout au long de sa durée de vie, et ainsi analyser son comportement dynamique. Le film est presque plat (pente inférieure à 0,1°). Sur toute sa longueur, qui est de quelques centimètres, cela correspond à une variation de son épaisseur de moitié, la valeur moyenne étant de 50 microns. Sous l'effet du chauffage, le film se rétracte progressivement. Dès le début de son évaporation, un bourrelet de démouillage est formé sur le pourtour du film, près de la ligne triple. L'apparition de ce bourrelet est caractéristique d'un démouillage visqueux sous conditions de non-mouillage. Ce comportement est surprenant, dans la mesure où nous avons choisi un fluide mouillant parfaitement la paroi en conditions isothermes. A l'échelle nanométrique, au plus près de la ligne triple, l'angle de contact entre le liquide et la paroi est donc très faible. Nous mesurons cependant un grand angle apparent (c'est-à-dire visible à l'échelle millimétrique), qui augmente avec la surchauffe de la paroi. Dès l'augmentation de cet angle, le bourrelet de démouillage se forme, et le film se rétracte. Ce phénomène est expliqué par l'évaporation à l'échelle microscopique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec la théorie développée par d'autres chercheurs. / We experimentally study the behavior of liquid films - so called Landau-Levich films - when they evaporate in their pure vapor atmosphere.The dynamics of this film is a key parameter that rules out the functioning of Pulsating Heat Pipes (PHPs). PHPs are high conductive thermal links. Their heat transfert capability is known to be extremely high. For this reason they are promising for numerous industrial applications. Their geometry is simple. It is a capillary tube bent in several branches that meander between a hot part (called evaporator) and a cold part (called condenser), and filled up with a pure two-phase fluid. When the temperature difference between evaporator and condenser exceeds a certain threshold, gas bubbles and liquid plugs begin to oscillate spontaneously back and forth inside the tube and PHP starts transferring the heat.Our experimental setup features the simplest, single branch PHP. A liquid/vapor interface oscillates in a tube. It deposits a liquid film at each passage. We focus first on the mecanism which makes possible self-sustained interface oscillations and defines its frequency. The obtained motion equation accounts for the viscous dissipation caused by oscillatory flow. In existing PHP modelling, a laminar flow is supposed. Yet, our approach shows that the assumption of weakly inertial flow is preferable and leads to a dissipation rate twice larger that the Poiseuille flow.The experimental setup allows the film visualization. An original combination of optical measurement techniques lets us measure the film length, thickness and 3D-profile at all times. The film evolution has been measured during its whole lifetime. The film is nearly flat (its slope is smaller than 0,1°). The film length is of several centimeters, and the average thickness is 50 microns. Thus, along the total length, its thickness decreases by half. Under heating conditions, the film gradually recedes. A dewetting ridge is formed, near the triple contact line. Such a behavior is typical under non-wetting conditions. At the nanometric scale the contact angle between the liquid and the solid wall is very low. However, we measure a large apparent contact angle (visible at the millimetric scale) which increases with the wall superheating. Once this angle increases, the dewetting ridge is formed and the film recedes. The large apparent contact angle is explained by evaporation in the microscopic vicinity of the contact line. The measured apparent contact angle value agrees quantitatively with theoretical results obtained by other researchers.

Les vésicules sont des bicouches fermées de molécules tensioactives, remplies de liquide, à l'intérieur d'un autre liquide. Leur taille peut être comprise entre dix et 100 microns : elles sont alors dites géantes. Nous nous intéressons à la dynamique de deux de ces objets dans un cisaillement simple, c'est à dire l'écoulement d'un liquide situé entre deux plaques planes se translatant l'une par rapport à l'autre à vitesse et distance constante. Nous commençons par une étude asymptotique, pour des vésicules quasi-sphériques en interaction lointaine. Nous utilisons ensuite un code de calcul basé sur la méthode des éléments de frontière pour étudier le cas de vésicules moins sphériques et plus proches, et comparons les résultats obtenus avec des expériences. Nous présentons enfin comment cette étude peut être utilisée pour prédire certaines propriétés de diffusion d'une suspension de vésicules, dans le régime semi-dilué, où seul le détail des interactions à deux corps est considéré.

Les vésicules sont des bicouches fermées de molécules tensioactives, remplies de liquide, à l'intérieur d'un autre liquide. Leur taille peut être comprise entre dix et 100 microns : elles sont alors dites géantes. Nous nous intéressons à la dynamique de deux de ces objets dans un cisaillement simple, c'est à dire l'écoulement d'un liquide situé entre deux plaques planes se translatant l'une par rapport à l'autre à vitesse et distance constante. Nous commençons par une étude asymptotique, pour des vésicules quasi-sphériques en interaction lointaine. Nous utilisons ensuite un code de calcul basé sur la méthode des éléments de frontière pour étudier le cas de vésicules moins sphériques et plus proches, et comparons les résultats obtenus avec des expériences. Nous présentons enfin comment cette étude peut être utilisée pour prédire certaines propriétés de diffusion d'une suspension de vésicules, dans le régime semi-dilué, où seul le détail des interactions à deux corps est considéré. / Vesicles are closed bilayers of tensioactive molecules, filled with liquid, inside another liquid. Their size can be between 10 and 100 microns : in this case, they are called giant vesicles. We study the dynamic of two of these objects in a simple shear flow, which is the one of a liquid sheared between two walls translating with respect to each other at a constant speed and distance. We begin by an asymptotic study, for quasispherical vesicles in the far field interacting regime. We then use a numerical code based on the boundary element method to study the case of less spherical and closer vesicles, and compare our results with experiments. We finish by presenting how this study can be used to predict some diffusing properties of a sheared suspension of vesicles, in the semidilute regime, where only the details of two body interactions are considered.

La texturation de surface est une thématique récente qui suscite un certain engouement pour les contacts dynamiques. Pendant de nombreuses années, les tribologues ont privilégié les surfaces lisses aux faibles rugosités pour limiter le frottement. Inspiré des rugosités de surface organisées observées dans la nature, les topologies de surfaces sont désormais axées sur la texturation et la structuration des rugosités. Fort de ce potentiel, de nombreuses études traitent, par une approche numérique, la modélisation de ces surfaces et les études expérimentales sont rares, avec une instrumentation souvent insuffisante pour appréhender tous les phénomènes physiques. Par une approche expérimentale, nous analysons le comportement des butées hydrodynamiques à faces parallèles partiellement texturées. Les 80 capteurs équipant le dispositif d'essais permettent d'apprécier avec rigueur la phénoménologie à l'interface du patin et du film lubrifiant. L'analyse met l'accent sur la capabilité de ce composant à être intégré dans un environnement industriel. Afin d'objectiver les résultats, les campagnes d'essais sont menées sur dix butées hydrodynamiques dont quatre sont munies de texturation. Une comparaison de ces butées facilite leur classement en termes de capacité de charge, de réduction de frottement ou encore de risque d'usure dans les phases de démarrage. Pour les configurations étudiées, les butées texturées ne peuvent concurrencer les butées à poches ou à plans inclinés du point de vue de la capacité de charge. En se référant à une butée à faces parallèles, les butées texturées permettent une réduction du frottement de 30% à faibles charges tandis que pour de fortes charges, les / Surface texturing is a recent topic which has raised a great interest in contact dynamics. For many years, engineers have favored smooth surfaces with low roughness in order to minimize friction losses. Inspired by textured surfaces which can be commonly found in nature, the research in surface topography is now focused on texturing and roughness characterization. Considering the great potential of surface texturing, many research studies analyze this subject, most commonly theoretically, while experimental works are often performed with inadequate equipment which does not allow a proper evaluation of the involved physical phenomena. This study uses an experimental approach in order to analyze the behavior of hydrodynamic thrust bearings with parallel textured pads. The experimental device is equipped with 80 sensors which allow a proper assessment of the phenomenology at the film/pad interface. This analysis focuses on the capability of this textured component to be integrated in an industrial environment. To objectify the results, the tests are conducted on ten hydrodynamic thrust bearings, among which four are textured. The comparison between the performances of these bearings facilitates their classification in terms of load-carrying capacity, friction loss and wears resistance during the start-up period. Results show that for the studied configurations, the textured thrust bearings cannot compete with pocketed or tapered land thrust bearings in terms of load-carrying capacity. In the case of parallel thrust bearings, surface texturing can help to reduce friction up to 30% at low loads while for heavy loads, their performance is equivalent or even lower than that of

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3573. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 170-180.

L'instabilité de Vishniac est invoquée pour expliquer la fragmentation et la filamentation de la coquille fine de matière choquée présente dans les restes de supernova radiatifs. Toutefois l'implication et les conséquences de ce processus spécifique sur la morphologie complexe des restes de supernova ne sont pas entièrement démontrées. Nous avons réalisé des simulations numériques 2D d'une onde de souffle perturbée qui se propage dans un milieu ambiant homogène afin de mieux comprendre le mécanisme de l'instabilité de Vishniac. Le code hydrodynamique HYDRO-MUSCL 2D a été utilisé afin de déclencher la perturbation de la coquille fine dans les géométries plan-parallèle et sphérique. Dans ce travail, je montrerai que nous avons obtenu la surstabilité de Vishniac (" Vishniac overstability ") comme prédit par l'analyse théorique. Ce processus repose sur une oscillation d'amplitude et de période temporelle croissante des grandeurs fluides et spatiales. Nous avons testé l'effet de paramètres spécifiques sur la variation de masse d'une région donnée dans le cadre d'une étude paramétrique que nous avons réalisée sur le supercalculateur Titane. Nous avons trouvé que la perturbation est atténuée après quelques oscillations de la variation de masse pour tous les jeux de paramètres. Ainsi nous concluons que dans notre modèle, l'instabilité de Vishniac ne permet pas la fragmentation de la coquille fine à cause d'effets qui ne sont pas pris en compte par l'analyse théorique.

Une étude préliminaire de la chimie de l'eau de la nappe de l'Isère, établie lors d'une campagne de mesures de la résistivité et du niveau de l'eau pendant l'été 1980 pour EDF, avait permis de se faire une première idée sur les différences existant entre les conditions hydrochimiques et hydrodynamiques qui régissent l'aquifère. La présence d'une seule nappe dans l'aquifère alluvial de la vallée de l'Isère n'implique pas l'uniformité de la qualité de l'eau sur les plans verticaux et horizontaux. Le milieu alluvial semble donc étre homogène et isotrope pour la transmission des pressions, mais pas pour la transmission de matière. Il doit donc exister des conditions de mélange des eaux et des interactions eau/milieu liées à la structure de l'aquifère. Ces premiers résultats ont servi de motivation et de point de départ à notre étude. La nappe de la vallée de l'Isère, site retenu comme secteur de travail, est limitée à l'amont par la confluence Isère-Drac en aval de Grenoble, à l'aval par une remontée du mur de la nappe au seuil de Rovon (35 km à l'aval de Grenoble, en direction de Valence). Elle est alimentée par les apports de versant, par la rivière, et par la pluie; mais cette derniere est négligeable par rapport aux précédentes. Dans l'aquifère de la vallée de l'Isère, nous retrouvons deux secteurs bien définis du point de vue morphologique (largeur de la nappe), hydrodynamique (type et vitesse d'écoulement), hydrochimique (gradients de minéralisation différents): la Cluse de l'Isère et la plaine de Moirans.