Le développement d'une sonde de traînée pour la mesure instantanée de la vitesse de l'aluminium en fusion dans une cellule d'électrolyse est l'objectif principal de ce projet de maitrise. L'effet de l'hydrodynamique des fluides sur l'efficacité énergétique d'une cuve d'électrolyse a incité les chercheurs à étudier ce phénomène par le biais de simulations numériques depuis plusieurs décennies. Cependant, il existe peu de données expérimentales disponibles pour valider les profils de vitesse obtenus à partir de ces simulations numériques. Une revue de la littérature sur les méthodes possibles de mesure de la vitesse dans une cellule d'électrolyse en aluminium a été réalisée. Cependant, la plupart des méthodes suggérées dans la littérature ne permettent pas de résoudre les problèmes de vélocimétrie à l'intérieur de la cellule d'électrolyse. La force du champ magnétique généré par le passage d’un fort courant dans les cuves d’électrolyse affecterait fortement les instruments électroniques. Une température élevée de l’aluminium allant jusqu'à 960°C est la raison pour laquelle de nombreuses techniques suggérées sont écartées. En outre, un environnement agressif de la cuve limite le choix des matériaux pour les méthodes avec des pièces immergées dans la cellule. Compte tenu de ces difficultés, une nouvelle tentative est entreprise pour mesurer la vitesse de l'aluminium en fusion avec une sonde de traînée inspirée par un dispositif éprouvé initialement utilisé pour la mesure de la vitesse du vent. Ce nouveau dispositif est conçu pour minimiser les effets de vortex, pour augmenter le coefficient de traînée et pour être applicable dans les cuves d’électrolyse. Ce document présente la sonde adaptée à la cuve d'électrolyse, son procédé de calibration et de validation dans un canal d'eau à température ambiante et les résultats obtenus en cuve d'électrolyse. Enfin, une conclusion sur les résultats obtenus et une suggestion de travaux futurs possibles est fournie / The development of a drag probe for instantaneous velocity measurement of molten aluminium in an electrolysis cell is performed in this master project. Because of the strong effects of flow hydrodynamics on energy efficiency of electrolysis cell, researchers studied this phenomenon through numerical simulations for decades. However, there is little experimental data to validate velocity profiles obtained from these numerical simulations. A literature review over possible methods for velocity measurement in aluminium electrolysis cell has been done. However, the challenges of velocimetry inside the electrolysis cell are beyond capabilities of most of methods suggested in literature. The high magnitude of the magnetic field from the passage of high DC current through the process would strongly affect electronic instruments. The high temperature of molten aluminium (up to 960°C) is reason to discard many suggested techniques. Besides, the aggressive environment of reduction cell limits the choice of materials for measurement methods with parts immersing inside the cell. Considering all those difficulties, a new attempt is undertaken to measure molten aluminium velocity with a drag probe inspired from a proven device first used for wind velocity measurement. The new device is designed to minimize vortex shedding, to increase the drag coefficient and to be applicable in the harsh environment of aluminium reduction cell. This document presents the probe developed for the electrolysis cell, its calibration in a water channel at room temperature, and the velocity results obtained within electrolysis cell.

Les systèmes flottants de production, stockage et de déchargement (FPSO) ont été introduits dans les secteurs d'exploitation des hydrocarbures offshore en tant qu'outils facilement déplaçables pour l’exploitation de champs de pétrole et de gaz de petites ‘a moyenne tailles ou lorsque ceux-ci sont éloignés des côtes ou en eaux profondes. Ces systèmes sont de plus en plus envisagés pour les opérations de traitement et de raffinage des hydrocarbures à proximité des sites d'extraction des réservoirs sous-marins en utilisant des laveurs et des réacteurs à lit fixe embarqués. De nombreuses études dans la littérature pour découvrir l'hydrodynamique de l'écoulement polyphasiques dans des lits garnis ont révélé que la maîtrise de tels réacteurs continue d’être un défi quant à leur conception /mise à l'échelle ou à leur fonctionnement. De plus, lorsque de tels réacteurs sont soumis à des conditions fluctuantes propres au contexte marin, l'interaction des phases devient encore plus complexe, ce qui entraîne encore plus de défis dans leur conception. Les travaux de recherche proposés visent à fournir des informations cruciales sur les performances des réacteurs à lit fixes à deux phases dans le cadre d'applications industrielles flottantes. Pour atteindre cet objectif, un simulateur de mouvement de navire de type hexapode avec des mouvements à six degrés de liberté a été utilisé pour simuler les mouvements des FPSO tandis que des capteurs à maillage capacitif (WMS) et un tomographe à capacitance électrique (ECT) couplés avec le lit garni ont permis de suivre en ligne les caractéristiques dynamiques locales des écoulements diphasiques. L'effet des inclinaisons et des oscillations de la colonne sur le comportement hydrodynamique des lits garnis biphasiques a été étudié, puis les résultats ont été comparés à leurs analogues terrestres correspondants (colonne verticale immobile). De plus, des stratégies opérationnelles potentielles ont été proposées pour atténuer la maldistribution des fluides résultant des oscillations du lit ainsi que pour intensifier le processus de réactions dans les réacteurs à lit fixe. Parallèlement aux études expérimentales, un modèle Eulérien CFD transitoire 3D a été développé pour simuler le comportement hydrodynamique de lits garnis polyphasiques sous des inclinaisons et des oscillations de colonnes. Enfin, pour compléter le travail expérimental, une étude systématique a été réalisée pour étudier les performances de capture de CO2 à base d'amines d’un laveur à garnissage (en vrac et structuré) émulant une colonne à bord des ... / Floating production storage and offloading (FPSO) systems have been introduced to offshore hydrocarbon exploitation sectors as readily movable tools for development of small or remote oil and gas fields in deeper water. These systems are increasingly contemplated for onboard treatment and refining operations of hydrocarbons extracted from undersea reservoirs near extraction sites using embarked packed-bed scrubbers and reactors. Numerous efforts in the literature to uncover the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds have disclosed that such reactors continue to challenge us either in their design/scale-up or their operation. Furthermore, when such reactors are subjected to marine conditions, the interaction of phases becomes even more complex, resulting in further challenges for design and scale-up. The proposed research aims at providing important insights into the performance of two-phase flow packed-bed reactors in the context of floating industrial applications. To achieve this aim, a hexapod ship motion simulator with six-degree-of-freedom motions was employed to emulate FPSO movements while capacitance wire mesh sensors (WMS) and electrical capacitance tomography (ECT) coupled with the packed bed scrutinized on-line and locally the two-phase flow dynamic features. The effect of column tilts and oscillations on the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds was investigated and then the results were compared with their corresponding onshore analogs. Moreover, potential operational strategies were proposed to diminish fluid maldistribution resulting from bed oscillations as well as for process intensification of heterogeneous catalytic reactions in packed-bed reactors. In parallel with the experiment studies, a 3D transient Eulerian CFD model was developed to simulate the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds under column tilts and oscillations. Ultimately, a systematic experimental study was performed to address the amine-based CO2 capture performance of packed-bed scrubbers on board offshore floating vessels/platforms. Apart from gaining a comprehensive knowledge on the influence of translational and rotational movements on multiphase flows in porous media, oil and gas sectors and ship industry would benefit from the results of this work for design and scale-up of industrial reactors and scrubbers. / Unité flottante de production, de stockage et de déchargement

L'objectif principal de ce mémoire est de mettre à jour les étapes parcourues dans la synthèse de mécanismes pour une génératrice éolienne/hydrolienne à ailes oscillantes. En effet, l'utilisation d'ailes oscillant dans un écoulement d'air ou d'eau afin d'en extraire de l'énergie nécessite un contrôle par un mécanisme contraignant cette dite oscillation. Une architecture doit donc être conçue afin d'imposer le mouvement adéquat de tangage et de pilonnement aux ailes, en plus de transférer aux alternateurs l'énergie cinétique extraite. De ce fait, l'analyse de l'aile oscillante à auto-compensation, un mécanisme proposé dans la littérature, est d'abord conduite. Deux lacunes sont ainsi identifiées : le manque d'adaptabilité du système à l'environnement et l'impossibilité d'atteindre des amplitudes de tangage supérieures à 62 °. S'ensuit alors une recherche de solutions pouvant procurer les mouvements établis qui se solde en l'élaboration de deux architectures à deux degrés de liberté : Valkyrie 2 et AEGIR. L'examen de celles-ci révèle ensuite que Valkyrie 2 est plus difficile à contrôler qu'AEGIR, puisque ce dernier possède une commande découplée. De son côté, Valkyrie 2 utilise seulement des barres et des liaisons rotoïdes, ce qui est un avantage du point de vue de l'efficacité énergétique. En étudiant par la suite la possibilité d'utiliser ces mécanismes dans des systèmes tandem, l'avantage du contrôle découplé d'AEGIR se fait plus important, puisqu'il est plus facile de diriger l'orientation des ailes par le pivot central à l'aide de courroies plutôt que par de nombreuses membrures. Finalement, la proposition d'ajouter des masses décentrées au système AEGIR tandem est apportée afin d'améliorer l'allure de la courbe de puissance en sortie du système.

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence. / This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Le comportement des chutes de blocs en milieu aérien est étudié depuis déjà plusieurs décennies. Ce phénomène peut aussi survenir en milieu sous-marin et atteindre ou endommager, par exemple, des barrières récifales ou des pipelines sous-marin. Une seule étude sur ce sujet, celle de Beranger et al (1998), a déjà été réalisée dans l'objectif de modéliser le comportement des chutes de blocs dans le milieu sous-marin. Le présent projet vise à permettre une analyse comparative des chutes de blocs en milieu aérien avec les chutes de blocs en milieu sous-marin. À cet effet, une étude des différentes forces s'exerçant sur le bloc en milieu sous-marin a été effectuée. À l'aide de ces éléments, un modèle numérique a été créé afin de comprendre les différences entre les deux milieux. Une expérience menée sur le terrain a par ailleurs permis de confirmer la validité du modèle numérique développé, pour la phase de chute libre.

Pour combler l'écart entre l'augmentation de la demande énergétique et l'épuisement de la production d'hydrocarbures onshore, l'exploitation des hydrocarbures offshore est de plus en plus envisagée, en particulier les gisements de gaz / pétrole dans les eaux plus profondes. En attendant, un grand nombre d'unités de traitement déployées pour la production d'hydrocarbures doivent respecter les contraintes environnementales conçues pour la protection maritime. Les systèmes tels que les réacteurs et les épurateurs à lit fixe embarqués deviennent inévitablement l'une des options les plus prometteuses pour atteindre ces deux objectifs. De nombreux efforts dans la littérature pour dévoiler l'hydrodynamique de l'écoulement multiphasé dans les lits garnis révèlent que des défis persistent soit dans leur conception / mise à l'échelle, soit dans leurs opérations. De plus, exposer ces réacteurs à des conditions marines difficiles telles que la convolution de la dynamique des navires et de l'hydrodynamique à l'intérieur des réacteurs à lit fixe conduit à des situations encore plus compliquées pour maintenir des performances de fonctionnement acceptables dans les conditions flottantes. Un grand nombre de preuves issues de la littérature a jusqu'à présent mis en évidence l'échec des colonnes garnies avec des garnissages aléatoires, des garnissages structurés ou des mousses à alvéoles ouvertes, pour empêcher la maldistribution des liquides dans les lits fixes destinés à fonctionner à bord de navires ou de platesformes flottantes. Les efforts de recherche doivent donc se poursuivre dans le but de trouver des composants internes robustes et capables de résilience contre la maldistribution des liquides dans les réacteurs / unités de séparation gaz-liquide. Ce projet de doctorat s’est proposé des recherches visant dans un premier temps de tester des internes disponibles commercialement pouvant préserver des performances similaires à celles des unités terrestres classiques. Au meilleur de notre connaissance, la sensibilité et la susceptibilité des réacteurs monolithes à une mauvaise distribution soumis à des conditions offshore n'ont pas encore été étudiées. Plutôt que de se concentrer uniquement sur une étude des lits monolithiques, le chapitre 1 opte pour une campagne expérimentale plus large comprenant un garnissage aléatoire et un garnissage en mousse à cellules ouvertes pour des comparaisons systématiques de la distribution des liquides en conditions flottantes. La distribution liquide des colonnes embarquées garnies de divers garnissages et pour une large plage de débit gaz / liquide est systématiquement comparée à l'aide d'un capteur à treillis métallique (WMS) et d'un émulateur hexapode à six degrés de liberté. La vraisemblance de conditions météorologiques extracôtières rudes pourrait menacer la sureté de l'exploitation des lits fixes, en particulier dans des situations extrêmes telles que des cyclones, des épisodes d'icebergs, etc. Pour assurer la sécurité du personnel et des installations, l’opération des colonnes garnies à bord doit être immédiatement interrompue pour éviter des problèmes de sécurité critiques sous de telles circonstances. Par conséquent, la base de connaissances sur la dynamique de drainage des liquides dans les lits flottants est iv essentielle pour assurer une vidange rapide du liquide. Néanmoins, l'étude de la dynamique du drainage liquide des lits fixes en conditions flottantes est à tout le moins rare. Par conséquent, le chapitre 2 se propose de comparer expérimentalement le drainage du liquide dans des colonnes garnies dans les conditions marines à celui observé dans une colonne statique verticale à l’instar des applications terrestres. En dehors de cela, l'influence des mouvements du navire (par exemple, cavalement, embardée, pilonnement, roulis, tangage, et lacet) à différentes amplitudes et périodes d'oscillation sur la dynamique de drainage des liquides est étudiée pour approfondir nos connaissances. Parallèlement à l'étude expérimentale, un modèle numérique Euler-Euler transitoire et en trois dimensions est utilisé en complément pour tenter de prédire la dynamique du drainage des liquides dans les lits flottants. D'autres facteurs susceptibles d'affecter la dynamique de drainage sont analysés par la simulation numérique. Ainsi, le chapitre 3 met en évidence l'influence globale des propriétés des liquides, de la structure du lit et des types de mouvement associé à la sollicitation marine. Par ailleurs, la campagne expérimentale en fournissant des données mesurables a permis de valider le modèle dans les conditions de roulis et de tangage testées au laboratoire. / To fill the gap between increasing energy demand and depletion of onshore hydrocarbon production, offshore hydrocarbon exploitation is increasingly contemplated especially the gas/oil fields in the deeper water. Meantime, large amount of deployed processing units for hydrocarbon productions must comply with the environmental codes designated for maritime protection. Systems such as embarked packed-bed reactors and scrubbers inevitably become one of the most promising options to achieve both purposes. Numerous efforts in literature to unveil the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds reveal that challenges persist either in their design/scale-up or during the operations. Moreover, exposing these reactors to harsh marine conditions such as the convolution of ship dynamics and hydrodynamics inside packed-bed reactors leads to even more complex situations to maintain the proper operation performance of packed-bed reactors under floating conditions. A lot of evidence from literature has pointed out the failure of random and structured packings and open-cell foams, to prevent liquid maldistribution in packed beds destined to operate on-board sailing ships and floating platforms. Research efforts must therefore continue in the quest for robust internals capable of resilience against liquid maldistribution in gas-liquid reactors/separation units. The proposed Ph.D. research aims at firstly following a sound path to adapt commercially existing internals being capable of preserving performance similar to landbased packed beds. To the best of literature exploring, the sensitivity and susceptibility of monolith reactors to maldistribution subjected to offshore conditions have yet to be investigated. Rather than focusing on a study of monolith beds alone, Chapter 1 opts for a broader experimental campaign including a random packing and an open-cell foam packing for the sake of systematic comparisons of the liquid distribution under floating conditions. Liquid distribution of embarked columns packed with various internals under wide gas/liquid flow range is systematically compared with the assistance of wire mesh sensor (WMS) and six-degree-of-freedom emulator hexapod. Severe offshore weather conditions threaten the operation safety of floating packed beds especially encountering extreme situations such as cyclone, iceberg episodes and so forth. To ensure the safety of staff and facilities, the onboard packed columns must be immediately shutdown to avoid critical safety concerns under such circumstances. Therefore, knowledgebase of liquid draining dynamics in floating packed beds is the essence to ensure timely discharge of liquid. Nevertheless, the study regarding liquid drainage dynamics of packed beds under floating conditions is scarce to say the least. Then, Chapter 2 compares liquid draining of packed columns embarking on floating platforms with static land-based one experimentally. Other than that, the influence of ship motions (e.g., roll, roll & pitch, heave etc.) with different oscillation amplitudes and periods on liquid draining dynamics is investigated to deepen the insights. vi In parallel with the experimental study, a 3D transient Euler-Euler CFD model is employed as a supplementary analysis to further deepen the understanding of liquid drainage dynamics in floating packed beds. More factors possibly affecting the draining dynamics are exploited by numerical simulation. Consequently, Chapter 3 highlights the comprehensive influence of liquid properties, bed structure and moving types instead of focusing on impact of movements alone. Meanwhile, with sufficient body of experimental campaign, the validity and accuracy of model are strongly endorsed.

Les micros-lit fixes sont des milieux poreux miniaturisés ralliant les avantages à la fois des microréacteurs et des lits fixes, comme par exemple en terme de rapport surface/volume très élevé conduisant à des taux de transfert de chaleur et de matière intensifiés. Par conséquent, la caractérisation hydrodynamique des micro-lits fixes est nécessaire afin d’appréhender de manière objective les phénomènes de transfert et les modes de contact entre phases. Ensuite l'importance des micro-lits fixes est mise en évidence tandis que les approches pour construire des bases de recherche sur les micro-lits fixes y sont explicitées. Notre recherche commence par l'étude des régimes d'écoulement, des transitions de régime d'écoulement de la multiplicité de l’hydrodynamique et du transfert de matière liquide-solide dans les micro-lits fixes. Cette étude est réalisée au moyen d’une méthode de visualisation par microscopie optique à la paroi et le traitement d’image qui s’en suit pour la partie hydrodynamique et d’une méthode électrochimique basée sur l’oxydoréduction du couple complexes ferri/ferreux hexacyanure pour la partir sur le transfert de matière. Les résultats de perte de charge et de rétention de liquide ont été discutés par rapport aux régimes d’écoulement mis en place et des observations pariétales rendues possibles par microscopie optique. L'effet de la taille des particules et de la géométrie du canal sur les transitions de régimes d’écoulement, le comportement transitoire et le phénomène d'hystérèse ont également été abordés. Finalement, les résultats des expériences hydrodynamiques ont été obtenus en faisant face à de nombreux défis pour lesquels nous avons formulé de nombreuses recommandations en vue d’investigations futures. La détermination expérimentale du coefficient de transfert de masse liquide-solide (kLS) par la technique électrochimique a été effectuée dans un micro-lit fixe rempli de couches de particules de graphite non-sphériques servant de cathode et d'anode. Les expériences ont été réalisées pour un écoulement monophasique en régime de diffusion limitée. Finalement, la correspondance de valeurs de kLS avec les corrélations construites sur la base d’études sur les lits fixes à l’échelle macroscopique a été discutée. / Micro-packed beds are miniaturized packed beds having the advantages of both microreactors (high surface-to-volume ratios leading to intensified heat and mass transfer rates, increased safety, etc.) and packed beds (effective contact between the phases) that have the potential to be successfully employed for purposes such as catalyst screening and production of hazardous materials. To assess this potential, hydrodynamic characterization of micro-packed beds is necessary as they address the actual flow phenomena and provide suggestions to improve the contacting patterns between phases for enhanced performances. This work starts with a brief review on process intensification via microreactors. Then the importance of micro-packed beds is highlighted while the approaches to build research foundations on micro-packed beds are discussed. Our research begins by studying the flow regimes, transitions in flow regime and hydrodynamic multiplicity in micro-packed beds mostly by means of microscopic wall visualization and image processing. Results on pressure drop and liquid holdup have been obtained and discussed in terms of flow regimes and wall-flow image analyses. In addition, residence time distributions of the liquid in micro-packed beds have been obtained according to two techniques, by an impulse tracing method (electrolyte tracer injection) and wall visualization with optical microscopy. The effect of particle size and channel geometry (circular vs. square) has also been investigated in terms of flow regime transitions, transient behavior and hysteresis. Finally, challenges and recommendations thereof to surpass the many difficulties encountered are methodically explained to facilitate future investigations. Experimental determination of liquid-solid mass transfer coefficient (kLS) via a linear polarization method was also carried out in a micro-packed bed filled with layers of non-spherical graphite particles serving as cathode and anode for the Redox ferri/ferrocyanide electrochemical reaction. Experiments concerned single-phase liquid flow within the diffusion-limited regime. Particle size analysis and image processing were used to evaluate deviations from spherical geometry of the graphite particles to determine liquid-solid mass transfer coefficient. Finally, the correspondence of kLS values with macro-scale packed bed correlations was discussed.

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.

Les colonnes de flottation jouent un rôle important dans le processus de séparation des minéraux. Dans ce contexte, le comportement des variables hydrodynamiques à l'intérieur de celles-ci est étroitement lié aux performances métallurgiques de l'unité. Par conséquent, la commande de ces variables est un objectif préalable à la mise en place d'une stratégie d'optimisation en temps réel. Le but du projet est la commande de variables hydrodynamiques d'une colonne pilote de flottation pour un fonctionnement à trois phases en laboratoire ainsi qu'en usine (Mine Agnico-Eagle, division Laronde). Les variables considérées sont : le taux de rétention de gaz dans la zone de collecte, la fraction d'eau de lavage sous l'interface et la profondeur d'écume. Ces variables sont estimées à l'aide de mesures de conductivité électrique. Elles sont commandées en manipulant les débits de gaz, d'eau de lavage et de rejet. Des tests d'identification à des conditions nominales de fonctionnement conduisent à un modèle représentatif du système. La profondeur d'écume est commandée par un régulateur proportionnel-intégral, alors que les autres variables sont régulées par une stratégie de commande multivariable prédictive avec contraintes. Les résultats obtenus en laboratoire et en usine ont permis de confirmer le potentiel d'inclure ces algorithmes dans une stratégie d'optimisation en temps réel d'une colonne industrielle.

Cette étude présente le modèle bidimensionnel horizontal (2DH) de Serre qui constitue une extension de celui de Saint-Venant (SV) auquel des termes supplémentaires d'accélération verticale sont ajoutés pour tenir compte de la présence de pression dynamique dans l'écoulement. Ses hypothèses sont exposées puis ses équations constitutives sont clairement développées en vue de faciliter sa compréhension. Afin d'éliminer la principale source de difficulté justifiant son manque de popularité et le rendre compatible avec la plupart des schémas numériques, un nouveau format est ensuite établi en séparant les dérivées spatiales de celles temporelles. Partant d'une expansion en séries de Taylor de deuxième ordre, des termes de diffusion artificielle sont ajoutés aux équations dynamiques puis à celle de continuité. Le système résultant est alors résolu à l'aide de la méthode standard des éléments finis utilisant des éléments triangulaires dits non-conformes en raison de leurs intéressantes propriétés d'orthogonalité. La simulation d'un bassin en eau calme puis d'un écoulement permanent uniforme à l'aide du code Matlab® correspondant aboutit exactement aux résultats analytiques escomptés. Le test de propagation d'onde solitaire est également satisfaisant (phase et amplitude). De plus, le modèle simule également bien l'écoulement de rupture de barrage. Cependant, les ondes prédites par le modèle de SV avancent plus vite que celles de Serre. La pression dynamique retarde donc la propagation de ces ondes. L'augmentation de la pente du fond accélère les ondes aussi bien pour Serre que pour SV mais réduit l'écart entre les fronts correspondant aux deux modèles. Un comportement inverse est observé lorsque le fond devient davantage rugueux ainsi que quand le ratio des niveaux d'eau aux deux extrémités du domaine s'accroît. La méthode de diffusion ajoutée s'est également révélée efficace pour la capture des ondes de rupture de barrage sans détérioration de la qualité des résultats numériques. Enfin, après avoir éliminé l'hypothèse de fluide non visqueux selon la verticale posée par Serre, le modèle 'Saint-Venant Plus' (SVP) est développé pour pouvoir tenir compte des contraintes visqueuses verticales significatives dans certains écoulements naturels. Cependant, la resolution numérique de SVP ne fait pas partie des objectifs de cette dièse qui présente seulement une comparaison théorique de la formulation mathématique de SVP avec celles des deux autres modèles (Serre et SV).