Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1980.

Dans la crise énergétique mondiale actuelle, la demande de production d'énergie reposant sur des sources renouvelables est en hausse. Les biocarburants offrent une option intéressante pour cette transition énergétique. Les intérêts dans le développement d'une troisième génération de biocarburants produits à partir de microalgues et de cyanobactéries ont nettement augmenté. Ainsi, la conception et la construction des systèmes de culture qui fonctionnent dans des conditions optimales sont nécessaires pour bénéficier au maximum du contenu énergétique de ces espèces. Les photobioréacteurs (PBRs) sont des systèmes qui offrent un bon contrôle sur les conditions de culture et de la croissance.Les effets du stress hydrodynamique sur la croissance ainsi que sur la motilité de deux espèces de microorganismes, la cyanobactérie Synechocystis et la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, sont étudiés dans deux types de PBR: cuve agitée (agitation mécanique) et airlift tubulaire (agitation par des bulles ascendantes). Les résultats ont montré que Synechocystis est très résistant au cisaillement; la variation de son taux de croissance exponentiel est limitée à la décomposition des colonies cellulaires, alors que sa capacité porteuse semble augmenter avec le cisaillement jusqu'à une valeur maximale. D'autre part, C. reinhardtii se montre plus sensible; son taux de croissance exponentiel augmente avec l'intensité du cisaillement, alors que sa capacité porteuse semble être moins affectée. Un modèle logistique comportant deux paramètres de croissance, le taux de croissance exponentiel et la capacité porteuse, est proposé pour décrire la croissance avec le temps. En suivant une approche de systémiques dynamiques, il a été expérimentalement montré que le taux de croissance instantanée et le taux de croissance per capita tendent vers zéro et oscillent autour d'un point fixe stable où la densité de la population atteint la capacité maximale du système.Un autre aspect de ce travail est d'étudier la motilité des deux microorganismes au cours de leurs cycles de croissance lorsqu’ils sont soumis aux différents niveaux de contrainte de cisaillement. La vitesse moyenne de nage est déterminée pendant la croissance pour des différentes valeurs de cisaillement. Les résultats ont montré que la motilité de C. reinhardtii suit trois phases différentes; une phase ascendante qui commence au milieu de la phase exponentielle de croissance, une phase descendante et enfin une phase amortie au cours de la phase stationnaire de croissance. Il a été montré que l'agitation augmente l'amplitude de la vitesse moyenne de nage et qu’elle avance la motilité cellulaire. En outre, une intensité de cisaillement élevée a conduit à un amortissement plus rapide de la vitesse moyenne vers sa valeur finale en phase stationnaire de croissance. Pour Synechocystis, la motilité n'a pas suivi une tendance claire avec le temps. Cependant, il semble que la vitesse maximale se produit toujours au milieu de la phase exponentielle de croissance. / Under the current global energy crisis, the demand of energy production relying on renewable sources has become a global need. Biofuels offer a transition towards a world of renewable energy supply and production. The interests in developing a third generation of biofuels produced from microalgae and cyanobacteria have clearly increased. Thus, the design and construction of a convenient culturing system under optimal conditions is necessary to benefit from the energy content of these species. Photobioreactors (PBRs) offer a good control over culture conditions and growth.This work investigates the effects of shear stress, generated by stirring in agitated PBRs and bubbling in airlift PBRs, on the growth and motility of two species of microorganisms, the cyanobacterium Synechocystis and the microalgae Chlamydomonas reinhardtii. The results show that Synechocystis is highly resistant to shear stress; the variation in exponential growth rate is limited to the breakdown of cellular colonies, while the carrying capacity appears to increase as a function of shear stress up to a maximal value. On the other hand, C. reinhardtii shows to be more sensitive; the exponential growth rate increases with shear stress intensity, while the carrying capacity seems to be less affected. A logistic growth model featuring two growth parameters, the exponential growth rate and the carrying capacity, is proposed to describe the growth with time. From a point of view of dynamical system approach, it is experimentally shown that the population’s instantaneous growth rate and the growth rate per capita tends to zero and converges around a stable fixed point once the population’s density reaches the carrying capacity of the growth system.Another aspect of this work is studying the motility of the two microorganisms during their growth cycle when different levels of shear stress are applied on them. The average swimming velocity is determined as a function of growth cycle for different shear stress intensities. The results show that the motility of C. reinhardtii follows three different phases; a rising phase starting in the middle of the exponential growth phase, a decay phase and finally a damped phase during the stationary growth phase. It is shown that agitation increases the magnitude of the average velocity and advances the cellular motility. Besides, high intensity in the applied shear stress led to an increase in the damping of the average velocity implying a quicker decay to the limit value at the end of the growth. For Synechocystis, the average velocity did not follow a defined pattern with time. However, it seems that the peak of the velocity occurs always in the middle of exponential phase.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Dans le but d'améliorer les performances de la turbine à pale oscillante en conservant sa simplicité, on explore une modification géométrique : l'ajout d'un volet Gurney double. On débute par caractériser les volets Gurney, le volet simple et le volet double, en les appliquant à un profil d'aile typique, le NACA 0015, qui constituera ensuite la pale de la turbine. En étudiant l'impact aérodynamique à angle d'attaque fixe des volets Gurney par une approche numérique en 2D, on confirme certaines règles de dimensionnement de la hauteur (h[indice GF]) du volet en fonction de l'épaisseur de la couche limite, et on étend ces règles au cas des volets doubles auparavant peu étudiés dans la littérature. Des améliorations à la finesse (L/D), à la pente et au coefficient de portance du profil équipé de volets simples et doubles sont observées, laissant présager une application intéressante sur la turbine à pale oscillante pour le volet double. On applique ensuite ces volets à une turbine à pale oscillante 2D, dont les caractéristiques se prêtent bien à une application réelle en 3D avec une envergure finie, soit une turbine dont l'amplitude de pilonnement est égale à la corde et dont l'angle d'attaque effectif maximal est de 29°, permettant d'éviter l'apparition d'émissions tourbillonnaires au bord d'attaque tout en offrant des performances de base jugées élevées. On observe des améliorations de performance allant de +3% à +10% sur des turbines déjà performantes, sans complexité accrue, par l'ajout du volet double. On constate que les règles de dimensionnement du volet Gurney optimisant la finesse du profil ne s'appliquent pas à la turbine à pale oscillante, dont les performances sont plutôt liées à la pente de portance du profil de pale utilisé, ce qui ouvre la porte à de futures modifications cinématiques de la turbine visant à exploiter la phase de portance de son cycle en employant des amplitudes de pilonnement plus importantes. / In order to improve the performance of the oscillating-foil turbine while retaining its simplicity, ageometric modification is explored: the addition of a double Gurney flap. The Gurney flaps, both single and double, are first characterized by applying them to a typical NACA 0015 airfoil, which will later serve as the blade of the turbine. By studying the aerodynamic impact of the Gurney flaps at a fixed angle of attack through a 2D numerical approach, the height (h[subscript GF]) of the flap is confirmed to scale with the thickness of the boundary layer where the flap is affixed, prior to its installation, and this scaling rule is extended to the case of double flaps, which were previously little studied in the literature. Improvements to the lift-to-drag ratio (L/D) and to the lift slope and coefficient of the airfoil equipped with single and double flaps are observed, suggesting an interesting application of the double flap on the oscillating-foil turbine. These flaps are then applied to a 2D oscillating-foil turbine, whose characteristics are well-suited for a real-life 3D application with a finite span, that has a heaving amplitude equal to its chord, and a maximum effective angle of attack of 29°, which avoids the occurrence of leading-edge vortex shedding while still offering a high base performance. Improvements in performance ranging from +3% to +10% are observed on already high-performing turbines with the addition of the double flap, without increased complexity. It is found that the scaling rules for the Gurney flap for maximizing the L/D ratio do not apply to the oscillating-foil turbine, whose performance is rather linked to the lift slope of the blade profile used, which opens the door to future kinematic modifications of the turbine aimed at exploiting the lift phase of its cycle with larger heaving amplitudes.

Les réacteurs à colonne à bulles gaz-liquide-solide sont largement utilisés liquide ainsi que gaz dans les raffineries de pétrole et les usines de traitement de gaz. Ils sont notamment utilisés dans les procédés chimiques mettant en jeu des réactions. Ces dernières années, l'industrie pétrolière et gazière offshore s'est de plus en plus intéressée à l'extension de l'application des réacteurs pour les plates formes flottantes telles que les unités flottantes de stockage et de déchargement de production (FPSO ). Cependant, les enjeux des courants marins et des vagues influencent les performances des réacteurs installés à bord des unités marines. Pour maintenir la capacité et les spécifications de produit dans de tels réacteurs, la prédiction de leurs écarts de performance par rapport à ceux statiques est essentielle. En particulier, l'étude du comportement d'un écoulement à bulle unique dans une colonne en mouvement fournira une base pour comprendre le comportement plus complexe d'un écoulement à bulles multiple s dans un réacteur à colonne à bulles fonctionnant dans des conditions flottantes. Afin de mieux comprendre les effets de la houle marine sur les performances des réacteurs à colonnes à bulles, cette recherche vise à étudier l'hydrodynamique de la remonté e d'une seule bulle dans une colonne inclinée. Comme l'interaction bulle-paroi a un impact majeur sur l'hydrodynamique du réacteur à colonne à bulles dans des conditions flottantes, les modifications de la trajectoire de la bulle, de la vitesse et du rapport d'aspect imposées par les interactions bulle-paroi sont étudiées. / Gas-liquid as well as gas-liquid-solid bubble column reactors are extensively used in oil refineries and gas treatment plants. They are used especially in chemical processes involving reactions. In recent years, offshore oil and gas industry has been increasingly interested in extending application of reactors for floating platforms such as floating production storage and offloading (FPSO) units. However, the challenges of marine currents and waves influence performance of reactors installed onboard marine units. To maintain the capacity and product specifications in such reactors, prediction of their performance deviations with respect to the static ones is essential. Particularly, investigation on single bubble flow behavior in a moving column will provide a basis to understand the more complex behavior in multi-bubble flow in a bubble column reactor operating in floating conditions. To provide more detailed understanding into the effects of marine swells on the performance of bubble column reactors, this research aims at studying the hydrodynamics of single bubble rising in an inclined column. As the bubble-wall interaction has a major impact on the hydrodynamics of bubble column reactor under floating conditions, the modifications in bubble trajectory, velocity, and aspect ratio imposed by the bubble-wall interactions are studied. This master thesis consists of two chapters. The first chapter contains a general introduction on the challenges brought by the need to extend the application of hydrocarbon treating facilities onboard marine units. Important information about hydrodynamics of bubble column reactors and single bubble rising in liquid are provided. Additionally, the most important issues in selection of the solver and the simulation methods are discussed. In the second chapter, the dynamics of a single ellipsoidal air bubble rising in an inclined cylindrical vessel is experimentally investigated. At the end, a general conclusion on the work performed and recommendations for future works is presented.

Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Les systèmes bioélectrochimiques (BES) se diversifient dans des applications ciblées, des architectures de dispositifs et des méthodologies pour les étudier. Cette thèse aborde BES dans une perspective large, impliquant à la fois des travaux expérimentaux et des simulations, pour explorer différentes pistes d'optimisation. La thèse commence par une présentation rigoureuse du contexte actuel dans le domaine de recherche du BES au chapitre 1. Puis, au chapitre 2, les concepts pratiques et théoriques utilisés dans ce travail pour étudier le BES sont exposés : à savoir la microfluidique, l'électrochimie et la dynamique des fluides computationnelle. Dans le chapitre 3, des expériences et des simulations sont combinées pour démontrer le transport de masse dans un BES microfluidique à trois électrodes en utilisant différents modes d'écoulement, y compris une nouvelle idée appelée écoulement perpendiculaire. Ensuite, des simulations sont utilisées dans le chapitre 4 pour prédire le transport de masse dans une pile à combustible microfluidique microbienne avec et sans membrane de séparation. Dans le chapitre 5, une nouvelle méthode pour introduire une membrane de séparation dans le MFC microfluidique avec un espacement des électrodes sous-millimétrique est démontrée expérimentalement. Les travaux sont soutenus par d'importants travaux de simulation pour élucider le transport de masse et le potentiel de contamination croisée dans des conditions d'écoulement réalistes, qui incluent des conditions de fonctionnement non optimales telles que des débits déséquilibrés. Les résultats expérimentaux ont montré que même avec l'ajout d'une membrane, la résistance interne pouvait être considérablement réduite par rapport à un dispositif à large espacement interélectrodes sans membrane. L'amélioration connexe des performances de la membrane microfluidique MFC dans ce travail marque une nouvelle référence à haut rendement pour la culture pure microfluidique MFC. Enfin, l'effet des profils de température dynamiques sur les MFC de sol et de liquide est exploré au chapitre 6. Ici, nous montrons expérimentalement que les profils de température dynamiques peuvent améliorer les sorties de puissance et de courant dans un MFC de sol jusqu'à 400 % et 200 %, respectivement. Cependant, de telles améliorations n'ont pas été observées dans le cas d'un liquide de culture pur MFC dans une cellule H. La thèse se termine par une synthèse des travaux et des perspectives. / Bioelectrochemical systems (BES) is diversifying in targeted applications, device architectures and methodologies to study them. This thesis looks at BES from a broad perspective, involving both experimental work and simulations, to explore different avenues for optimization. The thesis starts with a rigorous presentation of the current context in the BES research area in Chapter 1. Then, in Chapter 2, practical and theoretical concepts in BES and supporting technologies used to study them in this work, namely microfluidics, electrochemistry, and computational fluid dynamics. In Chapter 3, experiments and simulations are combined to demonstrate mass transport in three-electrode microfluidic BES using different flow-modes, including a new idea called perpendicular flow. Next, simulations are used in Chapter 4 to predict mass transport in a microfluidic microbial fuel cell with and without a separation membrane. In Chapter 5, a new method for introducing a separation membrane into the microfluidic microbial fuel cell (MFC) with sub-millimeter electrode spacing is demonstrated experimentally. The work is supported by significant simulation work to elucidate mass transport and potential for cross-contamination under realistic flow conditions, which include non-optimal operational conditions such as imbalanced flow rates. Experimental results showed that even with the addition of a membrane, the internal resistance could be significantly reduced compared to a wide inter-electrode spaced device with no membrane. Related improvement to the membrane microfluidic MFC performance in this work mark a new high-output benchmark for pure culture microfluidic MFC. Lastly, the effect of dynamic temperature profiles on both soil and liquid MFCs are explored in Chapter 6. Here we show experimentally that dynamic temperature profiles can improve power and current outputs in a soil MFC by up to 400% and 200%, respectively. However, such improvements were not observed in the case of a pure culture liquid MFC in an H-cell. The thesis concludes with a summary of the work and an outlook for the future.

Titre de l'écran-titre (visionné le 13 décembre 2023) / Bien que l'hydroélectricité ne soit pas une technologie récente, elle constitue une source d'énergie verte dont l'utilisation est appelée à croître dans les décennies à venir. La flexibilité de production des turbines hydrauliques permet d'équilibrer la puissance fournie au réseau avec la demande en électricité. Leurs paramètres d'opération sont adaptés continuellement afin d'assurer cet équilibre. Lorsqu'une production plus importante est requise, le passage d'un débit d'eau supérieur dans les turbines permet typiquement d'augmenter la puissance qu'elles fournissent. Passé un certain point, le rendement des turbines diminue, et l'augmentation du débit ne se traduit plus par une augmentation de puissance aussi importante. Il s'agit d'un comportement normal qui est une conséquence de la dynamique de l'écoulement dans leurs composantes. Toutefois, certaines turbines présentent plutôt une chute de rendement hydraulique importante et soudaine près de leur point de meilleur rendement. Celle-ci corrèle avec l'apparition de décollements de la couche limite dans leur aspirateur, une composante située à l'aval de la roue. Ces baisses d'efficacité réduisent leur flexibilité d'opération et peuvent aussi, dans certains cas, résulter en une baisse de la puissance fournie au réseau. Cette thèse vise à étudier les mécanismes menant à l'apparition des décollements, dont la compréhension ouvrirait la voie à l'implantation de correctifs et à l'amélioration des outils et pratiques de conception. L'étude est basée sur l'analyse expérimentale des champs de vitesse et de pression dans l'aspirateur d'une turbine bulbe modèle. Suivant l'hypothèse d'une interaction entre les séparations de la couche limite et une instabilité de l'écoulement dans le sillage de la roue, des mesures vélocimétriques par imagerie de particules résolues dans le temps (TR-PIV) ont été effectuées au centre de l'aspirateur afin d'explorer la dynamique de l'écoulement dans cette région et ses relations avec la chute de rendement. Ces mesures ont permis d'identifier une structure cohérente qui évolue dans le sillage ainsi que des séparations survenant à l'amont de l'aspirateur n'ayant pas été détectées lors des campagnes de mesure antérieures. Il est démontré que ces séparations ne sont pas présentes continuellement, et qu'elles surviennent et disparaissent sur des échelles de temps allant jusqu'à plusieurs centaines de tours de roue. Pour une condition d'opération unique, l'aspirateur peut donc tout aussi bien fonctionner efficacement que subir de larges décollements qui limitent sa performance. Ce constat supporte la multiplicité de solutions ayant été obtenues numériquement près du sommet de rendement. Des analyses par décomposition modale des champs de vitesse instantanés expliquent la présence de la structure cohérente par une instabilité de l'écoulement qui est amplifiée par la rotation de la roue. Le taux d'amplification de cette instabilité diminue significativement près du point où la chute de rendement survient, et il en résulte une transition dans la topologie de la structure. Ces observations expérimentales sont les premières à supporter la possibilité d'un changement dans l'état de stabilité de l'écoulement en lien avec la chute de rendement, tel que suggéré précédemment par des analyses de stabilité théoriques. Les analyses modales transitoires montrent par ailleurs des changements importants dans la dynamique du sillage lorsque certaines séparations se produisent. Sans l'exclure, ces résultats ne permettent toutefois pas de conclure à un lien de cause à effet direct entre la stabilité de la structure et les décollements de la couche limite. Les analyses du point de vue transitoire démontrent finalement que les décollements déjà observés à l'aval et au centre de l'aspirateur, ainsi que les larges séparations nouvellement identifiées à l'amont, sont de natures distinctes. Alors que les séparations à l'aval sont présentes dès le sommet de rendement, celles survenant près de la roue à l'amont gagnent davantage en importance avec l'augmentation du débit et deviennent rapidement le facteur contributif le plus important à la chute de rendement. / Although hydroelectricity is not a recent technology, it constitutes a source of green energy whose use is set to grow in the decades to come. The production flexibility offered by hydraulic turbines makes it possible to balance the power supplied to the grid with the electrical demand. Their operating parameters are continuously adapted to ensure this balance. When higher production is required, increasing the water flow rate through the turbines typically makes it possible to increase the power they provide. After a certain point, the turbines' efficiency decreases, and further increasing the flow rate no longer translates into a significant gain in power. This behavior is expected and is a consequence of the flow dynamics in their components. However, some turbines exhibit an important and sudden hydraulic efficiency drop near their best efficiency point which correlates with the onset of boundary layer separation in their draft tube, a component located downstream of the runner. These efficiency drops reduce the flexibility of operation and can also, in some cases, result in a drop in the power supplied to the electrical grid. This thesis aims to study the mechanisms leading to the appearance of these flow separations, the understanding of which would pave the way for the implementation of mitigation mechanisms and the improvement of design tools and practices. The study is based on the experimental analysis of velocity and pressure fields in the draft tube of a model bulb turbine. Following the hypothesis of an interaction between the flow separations and an instability in the wake of the runner, time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were carried out at the center of the draft tube to explore the flow dynamics in this region and their relationship with the efficiency drop. These measurements made it possible to identify a coherent structure located in the wake as well as separations occurring in the upstream part of the draft tube which had not been detected during previous measurement campaigns. It is shown that these separations are not continuously present and that they appear and disappear over time scales of up to several hundred runner revolutions. For a given operating condition, the draft tube may therefore operate efficiently as well as undergo large flow separations, limiting its performance. This observation supports the multiple solutions that have been obtained numerically around the best efficiency point. Using modal decompositions of the instantaneous velocity fields, the presence of the coherent structure is explained by an instability of the flow which is amplified by the rotation of the runner. The amplification rate of this instability decreases significantly near the point where the efficiency drop occurs, resulting in a transition in the topology of the structure. These experimental observations are the first to support the possibility of a change in the stability of the flow related to the efficiency drop, as suggested previously by theoretical stability analyses. Transient modal analyses also show a significant change in the wake dynamics when certain separations occur. Without excluding it, these results do not, however, allow concluding that there is a direct causal relationship between the stability of the structure and the flow separations. Finally, the analyses from the transient point of view demonstrate that the separations that were previously observed in the downstream part and near the center of the draft tube, as well as the large separations newly identified upstream, are of distinct natures. While downstream separations are already present at peak efficiency, those occurring upstream, near the runner, gain more importance as the flow rate is increased and rapidly become the most significant contributing factor to the efficiency drop.

Notre travail concerne la transfection génique. Celle-ci nécessite l'envoi au noyau cellulaire d'ADN exogène, c’est-à-dire, d'une grosse molécule hydrophile, qui, normalement ne peut pénétrer dans la cellule que par endocytose. Or, un tel processus conduit habituellement à une dégradation de la molécule, en grande partie dans les lysosomes. Dans notre introduction, après un bref rappel sur l'endocytose, nous présenterons les moyens qui permettent à l'ADN exogène d'échapper à une hydrolyse intracellulaire et d'atteindre le noyau sous une forme fonctionnelle. Les résultats que nous avons présentés nous apportent des informations sur l’influence de l’injection hydrodynamique sur l’endocytose par le foie. Rappelons que notre travail avait deux buts principaux : contribuer à l’élucidation du mécanisme de la transfection hydrodynamique et rechercher si l’injection hydrodynamique pouvait présenter des avantages pour introduire des protéines dans les cellules hépatiques.

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Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 83 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 105 réf.