Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 95-97. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P., 1985.

Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1983. N°: 767.

Nous étudions le drainage des mousses de suspension granulaire. Nos paramètres de contrôle sont : la fraction en gaz, la taille des bulles, celle des particules et la fraction volumique de celles-ci dans la phase interstitielle. En premier lieu, nous mesurons la proportion de liquide et de particules retenus dans le réseau de la mousse en fonction des paramètres cités précédemment. Ces mesures réalisées une fois le drainage terminé apportent des éléments de compréhension indispensables à la description des vitesses de drainage. Nous montrons également que certaines combinaisons de nos paramètres d'étude conduisent au blocage du système gaz, liquide, solide. Dans un second temps, nous avons identifié différents régimes de cinétique de drainage, nous montrons qu'ils sont contrôlés par deux paramètres : (i) le rapport lambda de la taille des particules et de la taille des constrictions du réseau, (ii) la fraction en particules dans la phase interstitielle phi. Le point clé pour comprendre ces régimes est le piégeage des particules dans la mousse qui peut avoir deux origines : (i) par piégeage collectif (jamming) qui peut survenir pour des fractions étonnamment basses à cause de la géométrie du réseau interstitiel, (ii) la capture individuelle des particules par la mousse lorsque leur taille devient supérieure à celle des constrictions du réseau interstitiel. Des particules encore plus grosses sont exclues du réseau et participent à une remontée de la vitesse de drainage, faisant apparaître un minimum pour le régime correspondant à la capture individuelle. La fraction granulaire de la phase interstitielle est aussi essentielle, le drainage pouvant être stoppé pour des fractions suffisamment élevées lorsque lambda est judicieusement choisi. Ce travail propose des pistes prometteuses pour la stabilité des matériaux triphasiques / We study the drainage of granular suspensions foams. Our control parameters are the gas fraction, the bubble size, the particles size and the interstitial particle fraction. First, we measure the proportion of liquid and particles retained in the foam network as function of the above mentioned parameters. These measurements are performed when the drainage is over, they are essential for the description of drainage velocity. We show that certain combinations of our study parameters lead to the jamming of the three-phase system : gas, liquid, solid. Secondly, we highlight different regimes of drainage velocity, we show that is controlled by two parameters : (i) lambda, the ratio of the particle size and constriction size, (ii) the fraction of particles in the interstitial network : phi. The key to understand these regimes is the trapping of particles in the foam : (i) the jamming, which may occur for surprisingly low fractions due to the geometry of the pore network, (ii) the particles captured by the foam network when they become larger than the constrictions network. Finally, larger particles excluded from the network increase the drainage velocity, as a consequence the minimum for the velocity corresponds to the individual capture. The granular fraction of the suspension in the foam network is the other key parameter. Especially, the drainage can be stopped for sufficiently high fractions for certain values of lambda. This work offers promising outlook for the stability of three-phase materials

Cette étude porte sur les systèmes de stockage thermique régénératif dont le principe consiste à stocker de l’énergie sous forme de chaleur sensible dans un lit fixe. Le système est chargé et déchargé à l’aide d’un fluide caloporteur circulant à travers le lit fixe. Ce type de système est prometteur pour réduire le coût des infrastructures de stockage, par exemple dans les centrales solaires thermodynamiques. Cependant, le pilotage de ces systèmes est relativement complexe car leur fonctionnement est régi par divers phénomènes et met en jeux plusieurs modes de transfert de chaleur. Leur identification a permis de développer un modèle numérique monodimensionnel constitué d’une équation de continuité et de trois équations d’énergie : une pour le fluide caloporteur, une pour le solide du lit fixe et une pour les parois du réservoir. Les études expérimentales réalisées sur trois systèmes différents (un système huile/roches+sable, un système gaz/roches et un système gaz/céramique structuré en canaux), ainsi que des résultats issus de la littérature ont permis de valider le modèle proposé dans une large gamme de configurations. Le modèle s’avère notamment capable de traiter les fluides caloporteurs liquides ou gazeux et les lits fixes structurés en canaux ou constitués de milieux granulaires à granulométrie simple ou double. / This study deals with regenerative heat storage systems which aim to store sensible heat in a packed bed. The system is charged and discharged thanks to a heat transfer fluid which circulates through the packed bed. This kind of system is promising to reduce the cost of heat storage facilities, for example in concentrated solar power plants. However, the operation of these systems is relatively complex because their thermal behavior is governed by several phenomena and heat transfer modes. Thanks to the identification of these mechanisms, a one-dimensional numerical model consisting of one continuity equation and three energy conservation equations has been developed. There is one energy equation for the heat transfer fluid, one for the packed bed and one for the walls of the tank. The experimental studies carried out on three different systems (an oil/rock+sand system, a gas/rock system and a structured gas/ceramic system) and experimental results from the literature have enabled to validate the model in various configurations. The model is able to deal with liquid or gaseous heat transfer fluids and with structured packed beds with channels or granular packed beds with uniformly sized particles or particles of two different sizes.

Le présent travail explore la possibilité d'adapter des matériaux poro-élastiques légers pour des applications spécifiques. En particulier, une approche de conception est présentée, combinant simulations par la méthodes des éléments finis et techniques d'optimisation, permettant ainsi d'améliorer les propriétés dynamiques et acoustiques de panneaux multicouches comprenant des matériaux poreux.Les modèles numériques sont fondés sur la théorie de Biot qui utilise des modèles équivalents fluide/solide avec des propriétés macroscopiques spatialement homogénéisées, décrivant le comportement physique des matériaux poro-élastiques. Afin de systématiquement identifier et comparer certaines propriétés spécifiques, bénéfiques ou défavorables, le modèle numérique est connecté à un optimiseur fondé sur les gradients. Les paramètres macroscopiques utilisés dans la théorie de Biot étant liés, il ne peuvent être utilisés comme variables indépendantes. Par conséquent, des lois d'échelle sont appliquées afin de connecter les propriétés macroscopiques du matériau aux propriétés géométriques microscopiques, qui elles peuvent être modifiées indépendamment.L'approche de conception est également combinée avec l'optimisation de la masse d'un panneau sandwich structure, afin d'examiner les possibilités de combiner exigences structurelles et acoustiques, qui peuvent être en conflit. En prenant le soin d'établir un équilibre entre composantes acoustiques et structurelles, des effets de synergie plutôt que destructifs peuvent être obtenus, donnant lieu à des panneaux multifonctionnels. Cela pourrait rendre l'ajout de traitements acoustiques redondant, qui par ailleurs annulerait tout ou partie du gain en masse obtenu par optimisation.Les résultats indiquent un véritable potentiel d'amélioration des propriétés dynamiques et acoustiques de panneaux multi-couches, pour un ajout minimum en termes de masse et volume. La technique de modélisation développée pourrait également être implémentée au sein d'outils numériques futures pour la conception de panneaux légers de véhicules. Cela aurait le potentiel de réduire substantiellement la masse tout en limitant, voire supprimant l'impact négatif sur les propriétés acoustiques et vibratoires, pourtant une conséquence courante de la réduction de la masse, participant ainsi à l'effort de développement de véhicules futures plus légers et efficaces. / The present work explores the possibilities of adapting poro-elastic lightweight acoustic materials to specific applications. More explicitly, a design approach is presented where finite element based numerical simulations are combined with optimization techniques to improve the dynamic and acoustic properties of lightweight multilayered panels containing poro-elastic acoustic materials.The numerical models are based on Biot theory which uses equivalent fluid/solid models with macroscopic space averaged material properties to describe the physical behaviour of poro-elastic materials. To systematically identify and compare specific beneficial or unfavourable material properties, the numerical model is connected to a gradient based optimizer. As the macroscopic material parameters used in Biot theory are interrelated, they are not suitable to be used as independent design variables. Instead scaling laws are applied to connect macroscopic material properties to the underlying microscopic geometrical properties that may be altered independently.The design approach is also combined with a structural sandwich panel mass optimization, to examine possible ways to handle the, sometimes contradicting, structural and acoustic demands. By carefully balancing structural and acoustic components, synergetic rather than contradictive effects could be achieved, resulting in multifunctional panels; hopefully making additional acoustic treatment, which may otherwise undo major parts of the weight reduction, redundant.The results indicate a significant potential to improve the dynamic and acoustic properties of multilayered panels with a minimum of added weight and volume. The developed modelling techniques could also be implemented in future computer based design tools for lightweight vehicle panels. This would possibly enable efficient mass reduction while limiting or, perhaps, totally avoiding the negative impact on sound and vibration properties that is, otherwise, a common side effect of reducing weight, thus helping to achieve lighter and more energy efficient vehicles in the future.

En chromatographie en phase gazeuse, la miniaturisation ouvre la voie pour de nouveaux appareils portables, consommant peu d'énergie et de gaz et permettant des analyses directement sur site en évitant ainsi le transport d'échantillons. Depuis les années 70, l'essentiel des travaux s'est focalisé sur les hydrocarbones les plus lourds, avec 5 atomes de carbones ou plus. Ce travail expose le développement de nouvelles phases stationnaires de silice mésostructurées pour la séparation des alcanes légers (avec moins de 5 atomes de carbones) dans des colonnes micro-fabriquées, suivant deux procédés diffrérents : i) le dépôt dynamique in-situ d'un sol directement dans les colonnes capillaires ou micro-fabriquées, ou ii) le dépôt couche-par-couche de nanoparticules de silices (SNPs) sur les micro-colonnes. L'influence des paramètres du dépôt sol-gel sur l'épaisseur finale du de la phase stationnaire a été étudiée sur des colonnes capillaires courtes. En modifiant la nature et la concentration de l'agent structurant, il a été possible d'obtenir différentes mésostructures plus ou moins ordonnées et de modifier le pouvoir rétentif de la colonne. Curieusement, les structures les moins organisées ont montré la rétention la plus importante vis-à-vis des alcanes, comparable à celle de colonnes commerciales, mais pour une épaisseur de phase stationnaire 30 fois plus faible. Le procédé a été adapté avec succès aux colonnes micro-fabriquées. Les colonnes obtenues montrent des efficacités de séparation prometteuses, et le plus grand nombre de plateau théorique par mètre (th.p./m) rapporté à ce jour pour l'éthane (7500 th.p./m). Finalement, un procédé alternatif par dépôt couche-par-couche a été étudié pour déposer directement des nanoparticules de silice comme phase stationnaire dans les micro-colonnes. Ce procédé a d'abord été évalué pour des SNPs commerciales non poreuses. Puis il a été appliqué avec succès au dépôt de SNPs mésostructurées, synthétisées au laboratoire, et validé pour le dépôt pleine-plaque de 35 micro-colonnes en simultané. Dans l'ensemble, ce travail démontre l'efficacité des phases stationnaires en silice mésostructurée pour la séparation des alcanes légers par des colonnes micro-fabriquées / Miniaturization in Gas Chromatography opens the way to low cost, low gas and low power consumption portable devices, which offer in-situ analysis and avoid tedious transport of samples to laboratories. Since the first micro-fabricated column in the late 1970’s, the main focus was directed to the separation of heavy molecular weight hydrocarbons, with 5 or more carbon atoms. In this work, we have developed sol-gel mesotructured silica stationary phases for the separation of light alkanes (from one to 5 carbon atoms) in micro-fabricated columns, following two different procedures: i) the deposition of a sol-gel thin film by dynamic coating directly into the GC capillary or on micro-fabricated columns or ii) the layer-by-layer (LbL) deposition of silica nanoparticles (SNPs) on micro-fabricated columns. The influence of the sol-gel process coating parameters on the final thickness of the stationary phase was studied on short capillary columns. Various ordered or disordered mesostructures were yielded by varying the nature and the concentration of the structure directing agent (SDA), thus allowing the obtention of columns with different retention strengths. Interestingly, the less organized layers led to the columns with the highest retention, comparable with commercial columns for stationary phases being 30 times thinner. The process was successfully transposed to micro-fabricated columns. The obtained micro-columns showed promising efficiencies and the highest number of theoretical plates per meter (th.p./m) reported to date for ethane (7500 th.p./m). Finally, we investigated an alternative way to coat GC micro-columns directly with mesostructured silica nanoparticles using an LbL process. The process was first evaluated for commercial non porous SNPs. Then it was successfully applied to mesostructured custom SNPs and further validated for the full-wafer simultaneous coating of 35 columns. Overall, this work demonstrated the use of mesostructured silica as an effective stationary phase for light alkane’s separation on GC micro-fabricated columns

La Société le Nickel ’SLN’ est l’un des plus grands exploitants de nickel en Nouvelle Calédonie. Le Stockage des déchets de l’exploitation minière sur le site d’exploitation se fait sous forme de tas manufacturés appelés versants. Pour assurer la stabilité de ces versants, il est nécessaire d’assurer un stockage hors d’eau de ces stériles miniers. Pour se faire, une mise en place des ouvrages en enrochement enterrés se fait au fur et à mesure de l’avancement des travaux d’installation des versants. Le rôle de ces ouvrages enterrés est de maintenir l’écoulement d’eau à travers le milieu poreux. Le premier objectif de la thèse est donc de mieux comprendre les interactions hydrodynamiques dans les milieux très perméables dans le cas d’écoulements pleinement turbulents. La première partie de ce travail concerne une étude expérimentale menée à l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT) mais aussi à l’Institut de mécanique de fluide de Toulouse (IMFT) dont le but est d’étudier à la fois l’évolution de la ligne d’eau dans les milieux macroporeux et la variation de la perméabilité de ces derniers en fonction du nombre de Reynolds. Des simulations avec des modèles de perte de charge les plus utilisés dans la littérature ont été effectuées, pour tester leur capacité à reproduire la ligne d’eau dans les conditions de nos expériences. Les deux relations de Forchheimer (1901) et d’Ergun (1952) donnent des résultats proches de nos expériences avec des valeurs de coefficients adaptés pour notre cas, alors que la relation de Barree et Conway (2004) ne semble pas reproduire les résultats attendus. L’eau qui circule dans les ouvrages enterrés est une eau chargée d’où l’intérêt d’étudier le transport sédimentaire dans ces milieux macroporeux. Pour se faire, une étude expérimentale a été réalisée sur le transport et le dépôt des particules dans des milieux synthétiques constitués de particules de diamètre moyen de 15 cm

La modélisation du comportement hydromécanique chimique des milieux poreux saturés et non saturés est abordée au niveau microscopique et mésoscopique. Au niveau microscopique la modélisation des écoulements diphasiques est basée sur une représentation du réseau poral comme un ensemble de tubes dont les orientations et les rayons sont choisis sur un principe d’équivalence avec les pores. L’algorithme régissant la génération des conduits et les écoulements d'eau et de gaz est développé en utilisant un langage propre au code 3FLO. En utilisant cette approche directe on étudie ensuite le problème de l’impact de l’endommagement sur les propriétés effectives hydriques en milieu saturé et non saturé. Sans expliciter l’origine et les mécanismes de la naissance et de la propagation des fissures, on simule le développement d’une fissuration au cours d’un essai de compression triaxiale en générant numériquement une fissuration orientée préférentiellement dans la direction de la contrainte maximale en compression. Les simulations réalisées en milieu saturé et non saturé mettent en évidence l’impact de la fissuration sur la conductivité hydraulique, la courbe de rétention et la perméabilité relative.Une dernière partie de la thèse est consacrée à la modélisation mésoscopique des couplages hydro-chimio-mécaniques par une approche de couplage indirecte ou dite de communication-passerelle. Selon cette méthodologie plusieurs codes spécialisés dans un domaine donné communiquent entre eux et sont capables de réaliser des calculs paramétrés par des champs externes. Un exemple est décrit ici par le couplage d’un code hydro-géochimie (HP1) et d'un code de calculs mécaniques développé sous Matlab. En utilisant cette méthodologie on traite d’abord le problème d’évolution du potentiel de gonflement d’une argile gonflante au cours d’une infiltration par une plume alcaline. Les simulations numériques mettent en évidence que pour la période étudiée la variation de la composition chimique est le mécanisme dominant en comparaison avec la dissolution des minéraux argileux. L’adaptation du modèle ELASGONF pour réaliser des calculs mécaniques paramétrés par des champs de concentration a permis de simuler la diminution de la pression de gonflement lors d’infiltration. En utilisant cette même approche, l’hypothèse de formation du gypse dans le tuffeau blanc par voie aérienne a été étudiée dans le cadre de la problématique de préservation des monuments historiques tels que les châteaux de la Loire. Dans les conditions de nos simulations, la formation du gypse par cette voie n’a pas été vérifiée. / Modelling of the behavior and the couplings HMC of the porous circles

Ce travail de thèse poursuit l’objectif d’une simulation numérique multiéchelle d’un assemblage de réacteur à neutrons rapides. Malgré la puissance croissante des ordinateurs, la CFD fine complète d’un tel système demeure extrêmement coûteuse dans un contexte de recherche et développement. Nous proposons alors, une fois déterminé le comportement thermohydraulique moyen de l’assemblage, de reconstruire localement l’information aux fines échelles, l’ensemble de la démarche requérant un temps de calcul bien moindre qu’une simulation de la totalité de la structure. La description à l’échelle moyenne est obtenue soit par le formalisme de prise de moyenne volumique en milieu poreux, soit via une approche alternative historiquement développée pour les assemblages de RNR-Na. Elle fournit des informations utilisées comme contraintes d’un sous-problème de raffinement d’échelle, par l’intermédiaire d’une technique de pénalisation des équations de conservation locales. Ce sous-problème exploite le caractère périodique de la structure en s’appuyant sur des conditions aux limites de périodicité des champs recherchés ou de leur déviation spatiale. Après validation des méthodologies sur des applications modèles, nous entreprenons leur mise en oeuvre sur des configurations « industrielles » qui démontrent la viabilité de cette approche multiéchelle. / The present work is devoted to a multiscale numerical simulation of an assembly of fast neutron reactor. In spite of the rapid growth of the computer power, the fine complete CFD of a such system remains out of reach in a context of research and development. After the determination of the thermalhydraulic behaviour of the assembly at the macroscopic scale, we propose to carry out a local reconstruction of the fine scale information. The complete approach will require a much lower CPU time than the CFD of the entire structure. The macroscale description is obtained using either the volume averaging formalism in porous media, or an alternative modeling historically developed for the study of fast neutron reactor assemblies. It provides some information used as constraint of a downscaling problem, through a penalization technique of the local conservation equations. This problem lean on the periodic nature of the structure by integrating periodic boundary conditions for the required microscale fields or their spatial deviation. After validating the methodologies on some model applications, we undertake to perform them on “industrial” configurations which demonstrate the viability of this multiscale approach.