The purpose of this paper is to assemble measurement chain dedicated to contactless measuring of acoustic fields emitted by test sources and to validate its results. At first author discusses possible optic methods which can be used to measure acoustic fields, then he talks about theoretical foundations which are needed to measure data and to reconstruct final data. The last two chapters are dedicated to cover basics about created program and to analyse various aspects which influence measured and reconstructed data. Created measurement chain is fully functional, at the end of this thesis are proposed some ways of improving

The purpose of these studies was to measure the drag coefficient of a small model submarine to add data to a Reynolds number study. First, a laser Doppler velocimeter (LDV) was used to measure the flow characteristics of the Mississippi State University water tunnel. The velocity and turbulence intensity profiles were measured for a range of freestream velocities of 8.6 m/s to 10.7 m/s. Several wake velocity profiles were taken for a model submarine at downstream distances of x/d = 10 to x/d = 28, with a freestream velocity of 8.6 m/s. A formula for the drag coefficient that uses only mean velocity measurements in the wake was derived for an axisymmetric body using the assumptions of a self-similar wake and a power law behavior of the wake scales. The experimental drag coefficient results are compared to computational fluid dynamic (CFD) solutions.

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Ce travail de thèse s'inscrit dans la thématique de la pollution particulaire de l'air intérieur et concerne plus particulièrement les phénomènes de remise en suspension liés à l'impact, au niveau du sol, des pas d'une personne qui marche sur un plancher chargé en particules. La première partie présente un état de l'art des connaissances de la pollution particulaire. Les différents paramètres expérimentaux qui influencent la remise en suspension des particules ainsi que les coefficients utilisés pour la quantification du phénomène sont recensés. Les différentes perturbations mécaniques et aérodynamiques générées lors de l'impact d'un pied avec le sol pendant la marche d'une personne sont présentées et comparées. Nous terminons la première partie par une présentation des différents modèles de remise en suspension des particules émanant d'une surface. La seconde partie est consacrée à la présentation de la maquette qui a été mise au point au laboratoire LaSIE à La Rochelle afin d'étudier le dépôt et la remise en suspension des particules par un simulateur mécanique du pas humain depuis un sol chargé en particules. Cette étude a permis de classer les différents types de surfaces utilisées dans le bâtiment en fonction de leurs émissions en particules après l'impact mécanique d'un solide. La troisième partie du travail consiste à mesurer les vitesses de l'écoulement de l'air généré par un simulateur mécanique automatisé du pas humain en différents emplacements. Les mesures de la vitesse ont été effectuées par trois types de méthodes largement utilisées dans le domaine de la mécanique des fluides : deux méthodes de Vélocimétrie Laser (Vélocimétrie par Image des particules et Vélocimétrie Laser Doppler), mais également une méthode d’Anémométrie à Fil Chaud. Ces mesures nous ont permis de trouver la zone de forte vitesse qui correspond à la zone où nous avons une remise en suspension importante. Nous avons également étudié l'influence de l'état de la surface sur les vitesses de l'écoulement générées à proximité du sol suite au mouvement du simulateur mécanique. Ces mesures ont mis en évidence que l'influence de la rugosité de la surface sur la vitesse de l'écoulement généré par le pas est marginale. Finalement, nous avons étudié analytiquement le détachement des particules en utilisant un modèle basé sur le bilan des moments de forces. Des perspectives à la fois sur l'amélioration des deux maquettes mises en place au LaSIE et à l'ERM, ainsi que le développement d'un code numérique pour simuler le pas humain sont présentées et argumentées en conclusion. / This thesis work is part of indoor air particle pollution theme and more particularly the phenomenon of walking-induced particle resuspension. The first part presents a state of the art knowledge of particulate pollution. The different experimental parameters that influence the particles resuspension, as well as the coefficients used for the phenomenon quantification, are identified. The various mechanical and aerodynamic disturbances generated during person walking are presented and compared. We end the first part with a presentation of the different particles resuspension models. The second part is dedicated to present the experiment made on a small scale model developed at the LaSIE laboratory in La Rochelle to study particles deposition and resuspension by amechanical simulator of the human step from a particle-laden soil. This study classified the different types of surfaces used in the building according to their particulate emissions after the mechanical simulator impact. The third part of the work consists of measuring the airflow velocities generated by an automated mechanical simulator of the human footstep at different locations. The velocity measurements have been done in the Royal Military Academy at Brussels (RMA) by three types of methods widely used in the field of fluid mechanics : two methods of Laser Velocimetry (Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry), but also a method of Wire Anemometry. These measurements allowed us to find the high-speed zone that corresponds to the area where we have a significant resuspension. We also studied the influence the surface roughness on the flow velocities generated near the ground following the movement of the mechanical simulator. We have shown that the influence of the surface roughness on the speed of the flow generated by the pitch is marginal. Finally, we analytically studied the detachment of particles using a model based on the momentum balance. Perspectives on both the improvement of the two models set up in LaSIE and the RMA, as well as the development of a numerical code to simulate the human step, are presented and argued in conclusion.

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.

L'objectif de cette étude est d'analyser expérimentalement l'interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d'écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d'ogivesafran de gouvernail ». L'originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d'écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l'ordre de l'épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d'hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d'inflow (zone d'apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l'alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

Ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement les mécanismes d'interaction entre les structures de la turbulence et une phase dispersée (gaz ou vapeur) dans une expérience de Taylor Couette avec rotation du cylindre intérieur. Cette étude a été réalisée pour des régimes d'écoulement correspondant aux régimes chaotique (Ta=780), faiblement turbulent (Ta=1000) et turbulent (Ta=4500). La phase dispersée sous forme de bulles, de tailles variées, a été introduite soit par ventilation par agitation de la surface libre, soit par injection associée à une mise en dépression de l'installation. L'intrusion de sondes optiques doubles a permis de caractériser l'arrangement de la phase dispersée (localisation des bulles dans l'entrefer) ainsi que le taux de vide, la taille et la vitesse des bulles. Afin de caractériser la dynamique de l'écoulement, des visualisations couplées à des mesures du champ de vitesse par vélocimétrie Laser Doppler ont été effectuées dans l'entrefer. Des comparaisons fines entre la dynamique du liquide en présence de bulles et celle obtenue en écoulement monophasique ont permis de mettre en évidence les interactions et les mécanismes de couplages ou d'échange entre la structure de l'écoulement et la phase dispersée. En ce qui concerne l'arrangement de la phase dispersée, les résultats ont montré que les bulles de taille millimétrique sont en partie capturées par les cellules de Taylor, une cellule sur deux et en partie localisées dans les zones de jet (outflow) près du cylindre intérieur. Les bulles sub-millimétriques sont essentiellement localisées en région de outflow près du cylindre intérieur mais de manière plus diffuse dans l'entrefer. En ce qui concerne les mécanismes d'interaction entre les bulles et la dynamique du champ de vitesse liquide, il a été montré que les bulles localisées au coeur des cellules contribuent à stabiliser l'écoulement par augmentation de la vorticité alors que les bulles localisées en proche paroi du cylindre intérieur (dans la zone de jet) contribuent à développer la turbulence par augmentation du cisaillement dépendant de la taille des bulles. On a observé globalement un gain d'énergie cinétique turbulente en écoulement diphasique de Taylor Couette principalement dû au travail de cisaillement.

This thesis details the development and validation of a laser Doppler vibrometer-based measurement system that is capable of quantifying not only the normal vibration of a solid body but also the component of vibration that is parallel to the plane containing the surface of interest. LDV manufacturers produce various devices that capture 3D measurements in a beam configuration that can be used to decompose the measured signals into not only the normal velocity of the surface of an object but also two orthogonal in-plane components of the vibration. It was a slightly simplified two-dimensional version of this approach that was chosen for implementation in the Wave Physics Lab using individual components to create a cheaper, more flexible system than those produced by companies such as Polytec. The goal of this system is to facilitate the exploration and discovery of areas and applications where 2D measurement may provide a more complete and precise view of the physics of different phenomena. Upon completion of the system development and validation, a study was done that sought to measure the acoustoelastic effect in an Aluminum plate by measuring how increasing loads alter both the normal and in-plane components of Lamb wave propagation in the plate. The acoustoelastic effect is the effect of stress on wave speed caused by non-linearity in the propagation medium.