Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 99-107.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3823. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 101-103. Liste des publications et communications.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 359.

Th. doct.-ing.--Bioméc.--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 238.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les puits de pétrole et de gaz sont scellés par le processus de cimentation primaire pendant les opérations de forage. L'étanchéité du puits est obtenue en plaçant du ciment dans la zone cible, qui est un espace étroit créé entre le trou de forage foré et l'extérieur d'un tubage en acier (ou d'un revêtement) qui est abaissé à l'intérieur du puits. Le ciment doit déplacer et éliminer le fluide en place d'abord dans le tubage, puis dans la section annulaire du puits avec un minimum de mélange. L'intégrité des bouchons de ciment placés est cruciale pendant toute la durée du forage du puits, ainsi que pendant la production du puits. Dans un tel écoulement par déplacement, plusieurs paramètres d'écoulement et propriétés du fluide contrôlent l'inter-pénétration des fluides, parmi lesquels les propriétés non newtoniennes (limite d'écoulement avec caractéristiques d'amincissement par cisaillement) des fluides impliqués sont considérées comme critiques. Presque toutes les études similaires antérieures dans la littérature envisagent l'injection d'un fluide newtonien dans un fluide non newtonien. Cependant, lors du processus de cimentation du puits, le fluide déplacé peut également posséder des propriétés non newtoniennes. Par conséquent, dans cette étude, l'imposition d'un fluide viscoplastique lourd dans un fluide newtonien léger est étudiée expérimentalement dans un tuyau vertical à grand allongement. Les densités des fluides sont légèrement différentes et ils sont miscibles. Le flux de déplacement est descendant. Les effets de la limite d'élasticité et du débit imposé sur la dynamique de l'écoulement, le mélange des fluides et la qualité de l'écoulement de déplacement sont analysés. Les résultats sont généralement utiles pour améliorer la qualité du processus de cimentation des puits primaires dans l'industrie pétrolière et gazière. / The oil and gas wells are sealed by the primary cementing process during drilling operations.The well sealing is achieved by placing cement into the target area, which is a narrow gapcreated between the drilled borehole and the outside of a steel casing (or liner) that is lowered down inside the well. The cement should displace and remove the in-place fluid initially in the casing and then in the annulus section of the well with minimum possible mixing. The integrity of placed cement plugs is crucial over the entire drilling time of the well, as wellas during the production of the well. In such a displacement flow, several flow parameters and fluid properties control the interpenetration of the fluids, among which non-Newtonianproperties (yield stress with shear thinning features) of the involved fluids are considered critical. Almost all previous similar studies in the literature consider injecting a Newtonianfluid into a non-Newtonian one. However, in the well cementing process, the displaced fluidcan also possess non-Newtonian properties. Therefore, In this study, the imposing of a heavy viscoplastic fluid into a light Newtonian fluid is investigated experimentally in a vertical pipewith a large aspect ratio. The densities of fluids are slightly different, and they are miscible.The displacement flow is downward. The effects of yield stress and the imposed flow rate onthe flow dynamics, the fluids mixing, and the quality of the displacement flow are analyzed.The results are generally helpful to improve the quality of the primary well cementing processin the oil and gas industry.

On considère l'écoulement non stationnaire d'un fluide visqueux à l'intérieur d'un tube mince à parois élastiques. Le problème dépend de deux paramètres Ɛ qui mesure le rapport entre le diamètre et la longueur du tube, ainsi que ƴ qui mesure la rigidité des parois. Ce développement est justifié par des estimations d'erreur et des estimations a priori. Les termes principaux de la solution asymptotique sont comparés à ceux de la solution d'un écoulement de Poiseuille dans un tube à parois rigides. Dans le cas critique ƴ=3, pour le déplacement, on obtient une équation différentielle non classique du sixième ordre. L'idée principale de la M.A.P.D.D. consiste à construire une solution asymptotique pour le problème d'écoulement afin de décrire et de justifier l'application de la M.A.P.D.D. Cette analyse confirme la localisation des effets de couches limites au voisinage des zones de transition ainsi que la convergence de la solution asymptotique vers une solution à l'intérieur des tubes. La justification numérique proposée ici, est l'application de cette méthode pour simuler un procédé d'écoulement non newtonien. En effet, la méthode consiste à résoudre le problème initial d'écoulement sur une petite partie du domaine (correspondant généralement à un voisinage ou les couches limites apparaissent) et de simplifier le problème sur un sous domaine en utilisant la forme particulière de la solution asymptotique

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.

L'objet de cette étude est de mieux formaliser et modéliser de façon générique le processus de structuration d'un produit par le procédé de foisonnement, en reliant les paramètres opératoires aux propriétés des mousses formées et de contribuer ainsi à un meilleur pilotage de l'opération. Une ligne de foisonnement par battage en continu a été instrumentée et l'évolution du diamètre des bulles en fonction des paramètres du produit et du procédé a été suivie pour des milieux modèles newtoniens et rhéofluidifiants. L'analyse dimensionnelle à l'échelle du procédé a permis d'aboutir à un modèle physique de l'opération, et donc d'avoir une compréhension des phénomènes en présence. Elle a aussi permis d'intégrer les paramètres du produit et du procédé et de simplifier la représentation des résultats expérimentaux. Enfin, la cohérence de ce modèle avec d'autres issus de la littérature et une première approche de validation avec un produit réel, semble justifier son caractère générique. / The aim of this study is to better formalize and model in a generic way the structuring of a product by the foaming operation process, by linking the operating parameters to the foams properties and contribute to a better steering of the operation. A continuous whipping line was instrumented and the evolution of bubble diameter depending on both product and process parameters was characterized for Newtonian and shear-thinning model fluids. Dimensional analysis of the process has lead to a physical model of the operation, and therefore makes possible the understanding of the phenomena involved. It also helped to integrate the product and the process parameters and simplify the representation of experimental results. Finally, the consistency of this model with others from the literature and a first validation with a real product seems to justify his relevance.

Ce travail traite de la modélisation du comportement mécanique de matériaux mous, tels que les mousses liquides et les émulsions. La description de la réponse mécanique de tels milieux nécessite la prise en compte de caractéristiques complexes: élasticité aux grandes déformations, écoulement plastique se produisant au delà d'un certain seuil de contrainte. Nous proposons un nouveau modèle mécanique incluant ces caractéristiques. Une analyse mathématique du couplage entre l'équation constitutive obtenue et l'hydrodynamique est proposée. Le travail s'achève avec une étude numérique du système dans un contexte d'écoulement bidimensionnel. Les simulations reproduisent certains phénomènes observés expérimentalement, tel que la formation de bandes de cisaillement. / Abstract

Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience / This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found