Cette thèse est une contribution à la réduction du bruit des CROR (Counter-Rotating Open Rotor). On s'intéresse plus particulièrement aux structures tourbillonnaires émises par l'hélice amont venant impacter les pales de l'hélice aval. L'objectif prévu de la thèse est d'explorer la possibilité de modification de ces structures en vue de réduire le bruit résultant de cette interaction au décollage. La première partie de la thèse est dédiée à leur caractérisation dans un cas particulier d'hélices (HTC5). La physique de formation de la nappe est d'abord décrite avec des outils numériques. Puis, l'essentiel de l'étude est mené sur une pale fixe reproduisant la loi de circulation d'une pale de l'hélice HTC5. Une étude expérimentale de cette pale fixe permet de déterminer les propriétés du tourbillon émis et d'éprouver la méthodologie numérique. Cette étape aboutit à la définition d'un modèle analytique permettant de décrire ce tourbillon. La seconde partie de cette thèse porte sur la modification de ces structures tourbillonnaires. Dans un premier temps, une application de concepts existant dans la littérature est réalisée sur la pale fixe de façon à observer leur impact sur les tourbillons. La réflexion menée sur ces résultats nous a amené à définir un nouveau concept de modification des structures tourbillonnaires : l'excroissance de bord d'attaque. Ce concept permet la génération de deux tourbillons co-rotatifs séparés par une zone de vorticité de signe opposé. La physique d'interaction entre ces deux tourbillons est étudiée. L'application de ce concept au CROR HTC5 permet de valider les gains acoustiques.

Cette thèse est une contribution à l’étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l’oxydant. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d’un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l’oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l’injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l’acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L’étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l’air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L’enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d’accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L’augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L’étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l’étude. L’étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l’écoulement permetde mettre en évidence l’effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l’évolution du taux d’entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l’évolution des NOx suivant la richesse globale à l’injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d’identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l’écoulement. / This thesis is a contribution to the study of turbulent non-premixed swirling methane flames with or without oxygen addition in the oxidizer. The study deals with the flame stability, the pollutant emissions and the jet dynamic behaviour in non-reacting and reacting conditions. The burner, operating in a combustion chamber, consists of two concentric tubes with a swirler placed in an annular arrangement, which supplied the oxidant flow (air or oxygen-enriched air). The central pipe delivers fuel (methane) radially just below the burner exit plane. The oxygen content in the oxidizer, the geometric swirl number and the global equivalence ratio are the main parameters, which can be precisely set. OH* chemiluminescence imaging is used to characterize flame stability. Multi-gas analyzers are used to measure pollutant emissions in the exhaust gas. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements in different longitudinal and transverse planes. A qualitative study dealing with the methane diffusion imaging is also conducted by use of acetone planar laser-induced fluorescence. Up to now only few studies have examined the dynamic behavior of this type of swirled flames with oxygen addition. Introducing swirl allows creating a central recirculation zone which favors lean flame stabilization at higher Reynolds numbers. The mapping of the combustion regimes combined with the pollutant emission results show that the stable lifted flames are related to high CO and residual CH4 emission levels in the exhaust gas. Oxygen addition, even by a few percent, allows improving CO and unburned hydrocarbons conversion and increasing flame stability at the same time via a decrease of liftoff heights and the related fluctuations. The NOx emissions increase via the thermal pathway with increasing the oxygen-enrichment rate up to 30 % vol. A comparative study in non-reacting and reacting conditions is conducted to give insight into the tridimensional flow field topology varying the above-mentioned parameters. Mean streamwise velocity and swirl number decay rates show the flame effects on the flow dynamics. A coupling mechanism between the entrainment rate of the surroundings via the external recirculation and the pollutant emissions is proposed to explain the NOx emission trend with the global equivalence ratio. A model is also proposed based on the helical vortices to identify the main features of helix structures in the jet in non-reacting and reacting conditions.

Development of modern safety standards for hydrogen storage infrastructure requires fundamental insight into the physics of buoyant gas dispersion into ambient air. Also, from a practical engineering stand-point, flow patterns and dispersion of gas originating from orifices in the side wall of circular pipe or storage tank need to be studied. In this thesis, novel configurations were considered to investigate the evolution of turbulent jets issuing from realistic pipeline geometries. First, the effect of jet densities and Reynolds numbers on vertical jets were investigated, as they emerged from the side wall of a circular pipe, through a round orifice. The resulting jet flow was thus issued through a curved surface from a source whose original velocity components were nearly perpendicular to the direction of the ensuing jets. Particle image velocimetry (PIV) and planar laser-induced fluorescence (PLIF) techniques were employed simultaneously to provide instantaneous and time-averaged flow fields of velocity and concentration. The realistic flow arrangement resulted in an asymmetric flow pattern and a significant deflection from the vertical axis of jets. The deflection was influenced by buoyancy, where heavier gases deflected more than lighter gases. These realistic jets experienced faster velocity decay, and asymmetric jet spreading compared to round jets due to significant turbulent mixing in their near field. In addition to that, horizontal multi-component jets issuing from a round orifice on the side wall of a circular tube were also investigated experimentally by the means of simultaneous velocity and concentration measurements. A range of Reynolds numbers and gas densities were considered to study the effects of buoyancy and asymmetry on the resulting flow structure. The realistic pipeline jets were always exhibited an asymmetry structure and found to deflect about the jet's streamwise axis in the near field. In the far field, the buoyancy dominated much closer to the orifice than expected in the axisymmetric round jet due to the realistic leak geometry along with the pipeline orientation considered in this study. In general, significant differences were found between the centreline trajectory, spreading rate, and velocity decay of conventional horizontal round axisymmetric jets issuing through flat plates and the pipeline leak-representative jets considered in the present study. Finally, the dispersion of turbulent multi-component jets issuing from high-aspect-ratio slots on the side wall of a circular tube were studies experimentally by employing simultaneous PIV and PLIF techniques. Two transversal & longitudinal oblong geometries in respect to the longitudinal axes of the tube , and with an aspect ratio of 10 were considered in this study. Both horizontal and vertical orientations along with broad range of Reynolds numbers and gas densities were considered to investigate the effects of buoyancy and asymmetry on the resulting flow structure. The ensuing jets were found to deflect along the jet streamwise axis, once more, due to the realistic pipeline leak-representative configuration. It was also found that increases in aspect ratio of these realistic jets caused a reduction in the angle of deflection, jet centreline decay rates and the width growth on both velocity and scalar fields compared to their round jets counterparts, most notably in the far field. These findings indicate that conventional jets (those that are issuing through flat surfaces) assumptions are inadequate to predict gas concentration, entrainment rates and, consequently, the extent of the flammability envelope of realistic gas leaks. Thus, extreme caution is required when using conventional jet assumptions to describe the physics of a buoyant jet emitted from realistic geometries. / Graduate

Afin d’alléger les moteurs d’avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d’autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L’aspiration de la couche limite sur les aubages s’est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l’aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L’objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d’aubages fortement chargés, intégrant l’aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d’aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d’aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d’aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d’aubages par prescription de la distribution de courbure de l’extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu’une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d’aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l’emploi d’une fente d’aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l’aide du code de calcul elsA de l’ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d’aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique de l’Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l’expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d’aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l’impact de la distribution du taux d’aspiration suivant l’envergure sur l’efficacité de l’aspiration. Etant donné l’importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d’aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d’aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l’aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d’aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L’épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel. / In order to reduce the mass of aircraft jet engines as well as their fuel consumption, manufacturers tend to make the compression system of their engines more compact, since this component represents approximately 40% of the total mass. However, for a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages implies increasing the aerodynamic load per stage. This all the more increases the risk of flow separation on the blades ultimately resulting in a decrease in performance. Boundary layer suction on the blade has proven to be very promising to suppress this deleterious flow separation and meet the needs of high aerodynamic loads. Nevertheless, boundary layer suction significantly modifies the static pressure distribution on the blades, making traditional design approaches unsuitable. Therefore, the objective of this Ph.D. work is to develop a new method and new criteria for the design of highly loaded compressor blades, integrating boundary layer suction into the design process. This design method relies on a two-step aspiration strategy. First, passive control of the separation point location is applied via curvature and diffusion in order to make it insensitive to operating conditions. Second, active control through boundary layer suction aims at placing the suction slot with respect to the separation point location, in order to minimize the necessary suction mass flow rate required to reattach the flow. To put this strategy into practice, a blading technique that consists of prescribing the curvature distribution on the suction side of the blade and the cross-section distribution of the blade passage is developed. In association with a fast pre-design tool, as well as an overall total pressure loss coefficient including aspiration, this method allows the design of a subsonic aspirated stator cascade with flow turning of 60 degrees, for an inlet Mach number of 0.5,giving a Diffusion Factor of 0.73. This performance at the design point is obtained for an overall total pressure loss coefficient of 2.5%, aspirating 1.1% of the inlet mass flow rate. Nevertheless, these two values can be respectively reduced to 2.1% and 0.8% by rounding the edges of the suction slot. This bi-dimensional numerical study has been carried out with the elsA solver from ONERA. To experimentally validate this design method and the associated numerical tools, a planar cascade is built and tested at low speed at the Laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon. At mid-span, results from the experiment and from tri-dimensional numerical simulations confirm the relevance of the design approach. This comparison then discloses the impact of the suction mass flow rate distribution along the span, on the efficiency of aspiration. Given the importance of tri-dimensional flows encountered in the experiment and simulations, a generalization in three dimensions of the aspiration strategy is proposed and numerically applied on the same cascade. By simultaneously controlling the boundary layers developing on the blades and on the endwalls,it is possible to almost entirely suppress the corner separations present in the blade passage. However, one disadvantage is that the suction mass flow rate undergoes a strong increase, moderating this benefit. The thickness of the inlet boundary layers appears to be also a key factor in the success of boundary layer control by aspiration, in a tri-dimensional context.

Les principaux objectifs de cette étude est de fournir les informations essentielles sur le comportement thermique des cellules de batterie pour une application automobile, en particulier pour les véhicules électriques et hybrides. Cette application est notre cadre de travail expérimental afin de développer un modèle électro-thermique 3D efficace pour les cellules lithium-ion et du pack batterie. L'étude expérimentale se concentre sur la distribution de température en différents points de la surface de la cellule, de l'impact de différents débits constants, et également l'importance du système de refroidissement sur le comportement en température de la batterie. Cette thèse met en évidence le comportement de température de la cellule dans des conditions de décharge agressive et de l'impact de l'empilement de plusieurs cellules à l'intérieur de la batterie. Une étude de cas sur le comportement thermique de la cellule dans une application véhicule électrique hybride série est proposée pour compléter les cycles de conduite en utilisant différentes stratégies de refroidissement. En outre, l'étude expérimentale est étendue à la caractéristique du comportement de refroidissement par flux d'air à l'intérieur de la batterie, en utilisant le système d'image de particules (PIV). Le modèle électro-thermique CFD 3D est développé sous un logiciel Open Source OpenFOAM. L'objectif principal est d'obtenir un modèle relativement simple mais précis avec un temps de calcul raisonnable. Le modèle proposé, estime la production de chaleur, à partir du courant de la batterie et la résistance interne en fonction de la température, le transfert de chaleur par conduction, convection forcée et rayonnement. / The main objectives of this study are to provide the essential information on the thermal behaviour of the battery cells for automotive purpose especially for EVs and HEVs through experimental work in order to develop an effective 3D electro-thermal model for lithium ion battery cells and pack. The experimental study is focusing on the distribution of temperature at various points of the battery cell surface, impact of different constant discharge rates, and also the importance of cooling system on the battery temperature behaviour. This thesis highlights the battery cell temperature under abuse discharge condition and the impact of stacking the battery cells inside the battery pack. Impact of different temperature and SOC on the battery cell internal resistance and a case study on the battery cell thermal behaviour used in a series HEV to complete driving cycles using different cooling strategies are also studied. Furthermore, the experimental study is extended to the characteristic of the cooling air flow behaviour inside the battery pack, using particulate image velocimetry (PIV) system. The 3D electro-thermal CFD model is implemented in a free, open source CFD software package called OpenFOAM. The target is to have a relatively simple but accurate model with reasonable computation time. This proposed model considers the heat generation from battery current and internal resistance as a function of temperature, heat transfer through conduction, forced convection and radiation.

Syngas consisting mainly of a mixture of carbon monoxide, hydrogen and other diluents, is an important fuel for power generation applications since it can be obtained from both biomass and coal gasification. Clean coal technologies require stable and efficient operation of syngas-fired gas turbines. The trapped vortex combustor (TVC) is a relatively new gas turbine combustor concept which shows tremendous potential in achieving stable combustion under wide operating conditions with low emissions. In the present work, combustion of low calorific value syngas in a TVC has been studied using in-situ laser diagnostic techniques and numerical modeling. Specifically, this work reports in-situ measurements of mixture fraction, OH radical concentration and velocity in a single cavity TVC, using state-of-the art laser diagnostic techniques such as Planar Laser-induced Fluorescence (PLIF) and Particle Image Velocimetry (PIV). Numerical simulations using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES) approaches have also been carried out to complement the experimental measurements. The fuel-air momentum flux ratio (MFR), where the air momentum corresponds to that entering the cavity through a specially-incorporated flow guide vane, is used to characterize the mixing. Acetone PLIF experiments show that at high MFRs, the fuel-air mixing in the cavity is very minimal and is enhanced as the MFR reduces, due to a favourable vortex formation in the cavity, which is corroborated by PIV measurements. Reacting flow PIV measurements which differ substantially from the non-reacting cases primarily because of the gas expansion due to heat release show that the vortex is displaced from the centre of the cavity towards the guide vane. The MFR was hence identified as the controlling parameter for mixing in the cavity. Quantitative OH concentration contours showed that at higher MFRs 4.5, the fuel jet and the air jet stream are separated and a flame front is formed at the interface. As the MFR is lowered to 0.3, the fuel air mixing increases and a flame front is formed at the bottom and downstream edge of the cavity where a stratified charge is present. A flame stabilization mechanism has been proposed which accounts for the wide MFRs and premixing in the mainstream as well. LES simulations using a flamelet-based combustion model were conducted to predict mean OH radical concentration and velocity along with URANS simulations using a modified Eddy dissipation concept model. The LES predictions were observed to agree closely with experimental data, and were clearly superior to the URANS predictions as expected. Performance characteristics in the form of exhaust temperature pattern factor and pollutant emissions were also measured. The NOx emissions were found to be less than 2 ppm, CO emissions below 0.2% and HC emissions below 700 ppm across various conditions. Overall, the in-situ experimental data coupled with insight from simulations and the exhaust measurements have confirmed the advantages of using the TVC as a gas turbine combustor and provided guidelines for stable and efficient operation of the combustor with syngas fuel.

Flow separation and reattachment happens in many fluid mechanical situations occurring in engineering applications as well as in nature. The flow over a backward-facing step represents a geometrically simple flow situation exhibiting both flow separation and reattachment. Broadly speaking there are only two important parameters in the problem, the Reynolds number(Re) based on the step height(h),and a geometrical parameter, referred to as the Expansion ratio(ER), defined as the downstream channel height to the upstream channel height. In spite of the relative simplicity of this geometry, the flow downstream is quite complex. The main focus of the present work is to elucidate the unsteady three-dimensional coherent structures present in this flow at large Re, Re>36,000,based on the step height(h). For this, we use velocity field measurements from Particle Image Velocimetry (PIV)in conjunction with hotwire anemometry measurements. The time-averaged structure of this flow is first studied in detail, including the effect of Reynolds number(Re) and Expansion Ratio(ER), on it. These studies show that at sufficiently large Re (Re>20,000), the reattachment length becomes independent of Re. The detailed internal structure of the separation bubble is also found to be independent of Re, but for Revalues that are relatively larger(Re>36,000). At large Re, the main effect of ER ,is found to be on the reattachment length, which increases with ER and saturates for ER values greater than about 1.8. The detailed internal structure of the separation bubble has been mapped at high Re and is found to be nearly the same for all ER, when the streamwise length is normalized by the reattachment length. In order to elucidate the unsteady coherent vortical structures, PIV measurements are done in two orthogonal planes downstream of the backward-facing step. These measurements are done for ER= 1.50 at large Re(Re=36,000) and in a large aspect ratio facility(AR= span length/step height= 24); the latter being important to avoid any effects due to span-wise confinement. In the spanwise plane parallel to the lower wall(x-z plane),instantaneous velocity fields show counter rotating vortex pairs, which is a signature of the three-dimensional vortical structures in this plane. Using conditional averaging, this counter-rotating vortex pair signature is captured right from upstream of the step, to well after reattachment. Spatial correlations are used to get the length scale of these coherent vortical structures, which varies substantially from the attached boundary layer before separation to the region after reattachment. The variation of these structures in the cross-stream (vertical) direction at reattachment and beyond gives an idea about their three dimensional shape. The circulation of these counter-rotating pairs is measured from the conditionally aver-aged fields, and is found to increase with streamwise distance reaching normalized circulation values (Γ/Uoh) of about 0.5 around reattachment. Velocity spectra downstream of the step show peaks corresponding to both the shear layer frequency(Stsl)and a relatively lower frequency that corresponds to large-scale shedding from the separation bubble (Stb); the latter in particular being quasi-periodic. Small amplitude sinusoidal forcing at the shedding frequency(Stb) is applied close to the step, by blowing and suction, to make the quasi-periodic shedding more regular. Measurements show that this has a very small effect on both the mean separation bubble and on the counter-rotating structures in the x-z plane. This mild forcing however enables phase locked PIV measurements to be made which shows the bubble shedding phenomenon in the cross-stream plane(side view or x-y plane). The phase-averaged velocity fields show significant variations from phase to phase. Although there is some hint of structures being shed, from these phase-averaged fields, it is not very clear. One of the primary reasons is the fact that the flow is effectively spanwise averaged, as the three-dimensional structures are not locked in the spanwise direction. To get a three dimensional view of the sheddin gphenomenon, it is necessary to lock the spanwise location with respect to the three-dimensional vortical structures before averaging across the different phases. We use the condition, u’<- urms, to locate the central plane between the counter-rotating structures, which in effect are the “legs” of the three-dimensional structure. With this condition, we effectively get a slice of the shedding cycle cutting through the “head” of the three-dimensional structure. Apart from this cut, we also get a cut between adjacent structures from the weak sweep events, with the condition u’<- urms. Using these conditions, on the phase-locked velocity fields, we effectively lock the structures in time, as well as in the spanwise direction. With this ,a clearer picture of the shedding process emerges. The flow is highly three-dimensional near reattachment and the shedding of the separation bubble is modulated in the spanwise direction owing to the three-dimensional hairpin like vortical structures in the flow. The separation bubble is seen bulged out and lifted high at locations where the head of the hairpin vortex passes, owing to the strong ejection of fluid caused by the vortical structure. On the other hand, outside the hairpin vortices, weak sweep events push the flow towards the wall and make it shallow and less prominent, with the shedding being very weak in this plane. From these observations, a three-dimensional picture of the flow is proposed.

Cette thèse porte sur la compréhension et le contrôle des interactions dynamiques entre les mécanismes physiques et biologiques en considérant un procédé alternatif de séparation membranaire pour les bioprocédés industriels. L’objectif premier est un apport de connaissances scientifiques liées à la maîtrise de la bioréaction en considérant l'hydrodynamique complexe et les verrous rétention-perméation. Une technologie de filtration dynamique, appelée Rotating and Vibrating Filtration (RVF), a été spécifiquement étudiée. Elle se compose de cellules de filtration en série comprenant deux membranes circulaires planes fixées sur des supports poreux au voisinage d'un agitateur à trois pales planes attachées à un arbre central. Ce dispositif mécanique simple fonctionne en continu et génère une contrainte de cisaillement élevée ainsi qu'une perturbation hydrodynamique dans un entrefer étroit (pale-membrane). Les verrous scientifiques et techniques qui motivent ce travail, sont la caractérisation et la quantification (i) des champs de vitesse locaux et instantanés, (2) des contraintes pariétales de cisaillement à la surface de la membrane et (3) l'impact mécanique sur les cellules microbiennes.Dans ce but, des expériences et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier l'hydrodynamique à des échelles globales et locales, en régimes laminaire et turbulent avec des fluides newtoniens dans des environnements biotique et abiotique. Pour l'approche globale, la distribution des temps de séjour (RTD) et le bilan thermique ont été réalisés et comparés aux précédentes études globales (courbes de consommation de puissance et de frottement). Une étude analytique des fonctions de distribution a été effectuée et les moments statistiques ont été calculés et discutés. Une analyse systémique a été utilisée pour décrire les comportements hydrodynamiques du module RVF. En combinant la simulation des écoulements (CFD) et les observations (RTD), les conditions et les zones de dysfonctionnement des cellules de filtration sont éclairées. Pour l'approche locale, la vélocimétrie laser (PIV) a été réalisée dans les plans horizontaux et verticaux et comparée à la simulation numérique (CFD). Une étude préliminaire basée sur une synchronisation entre la prise d’image et la position de l’agitateur (résolution angulaire) a permis d’accéder aux champs de vitesse moyens. Une campagne de mesure PIV a été réalisée sans synchronisation afin d’appliquer une décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD) pour 'identifier les composantes moyennes, organisées et turbulentes des champs de vitesse (énergie cinétique). Pour l'application aux bioprocédés, un travail exploratoire a caractérisé l'effet de la filtration dynamique sur des cellules procaryotes (E. coli) en quantifiant l'intégrité cellulaire ou leur dégradation en fonction du temps et de la vitesse de rotation. / This thesis focuses on the understanding and the control of dynamic interactions between physical and biological mechanisms considering an alternative membrane separation into industrial bioprocess. It aims to carry scientific knowledge related to the control of bioreaction considering complex hydrodynamics and retention-permeation locks specific to membrane separation. A dynamic filtration technology, called Rotating and Vibrating Filtration (RVF), was investigated. It consists of filtration cells in series including two flat disc membranes fixed onto porous substrates in the vicinity of a three-blade impeller attached to a central shaft. This simple mechanical device runs continuously and generates a high shear stress as well as a hydrodynamic perturbation in the narrow membrane-blade gap. Several scientific and technical locks motivating this work are to characterize and to quantify (i) the velocity fields locally and instantaneously, (2) the shear stresses at membrane surface and (3) the mechanical impact on microbial cells.To this end, experiments and numerical simulations have been performed to investigate the hydrodynamics at global and local scales under laminar and turbulent regimes with Newtonian fluids under biotic and abiotic environment. For global approach, investigation of Residence Time Distribution (RTD) and thermal balance was carried out and compared to the previous global study (power consumption and friction curves). Analytical study of distribution functions was conducted and statistical moments were calculated and discussed. A systemic analysis was used to describe the hydrodynamic behaviors of the RVF module. Combining Computational Fluid Dynamics (CFD) and RTD observations, it leads to demonstrate dysfunctioning conditions and area. For the local approach, Particle Image Velocimetry (PIV) was be carried out in both horizontal and vertical planes and compared to CFD simulation. PIV preliminary study was conducted with a trigger strategy to access through angle-resolved measurements to an averaged velocity field. PIV further study were performed with a non-trigger strategy and applied to Proper Orthogonal Decomposition (POD) analysis in order to identify the coherent structure of the flow by decomposing the organized and turbulent fluctuations. For the bioprocess application, an exploratory work characterized the effect of Dynamic Filtration on prokaryote cell population (Escherichia coli) by quantifying cell integrity or damage as a function of time and rotation speed during filtration process in turbulent regime.

La capacité à percevoir des courants dans un fluide s'est développée chez de nombreuses espèces animales, dans des contextes écologiques très variés qui couvrent aussi bien les interactions proies-prédateurs, la sélection sexuelle ou l'orientation dans un environnement. Parmi ces espèces animales, les grillons détectent les courants d'air générés notamment lors de l'attaque de leurs prédateurs à l'aide de deux organes appelés "cerques", situés à l'arrière de leur abdomen et recouverts de poils mécano-sensoriels. Ces senseurs sont considérés comme les détecteurs les plus sensibles du monde animal. Il leur suffit de capter l'énergie d'un dixième d'un photon pour déclencher un potentiel d'action au niveau du neurone sensoriel. Ce manuscrit présente à la fois le développement des outils de mesures sans contact adaptés à ces questions d'écologie sensorielle ainsi que les méthodes numériques simulant les processus physiques à l'oeuvre. L'étude du fonctionnement des senseurs a nécessité l'adaptation des méthodes de mesures non intrusives de très grande précision tel que la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). La couche limite oscillante dans laquelle évoluent les poils a été visualisée et a servi à déterminer la réponse de poils modélisés par des systèmes oscillatoires du second ordre. Le couplage visqueux entre poils a été lui aussi caractérisé en adaptant la PIV à des mesures à très petites échelles sur des poils biomimétiques micro-electro-mécanique (MEMS). Les mesures des perturbations générées lors des attaques d'araignées, principales prédatrices des grillons, nous ont aidé à valider des modélisations numériques, réalisées à l'aide des techniques de dynamique des fluides computationnelles (CFD) par résolution des équations de Navier Stokes via la méthode des éléments finis (FEM). La mise au point et l'utilisation de techniques de métrologie optique en dynamique des fluides semi-visqueux et l'analyse des données nous permettent de revisiter la sensibilité extrême du système sensoriel du grillon et de placer ces mesures dans un contexte plus large, d'écologie sensorielle. En particulier, nous montrons que ces soies sont placées en groupe compact et exercent entre elles un fort couplage aérodynamique visqueux, qui réduit fortement leur sensibilité "de groupe". Ce fort couplage interroge l'intérêt d'avoir des récepteurs aussi performants individuellement, s'ils perdent leur sensibilité lorsqu'ils fonctionnent en réseau. Finalement, les réactions des poils à des mouvements de fluides générés par un piston mimant les attaques réelles d'araignées ont pu être déterminées à l'aide d'une caméra rapide, puis simulées et validées après avoir développé un modèle mécanique du poil répondant à des stimuli transitoires. / Flow sensing is used by a vast number of animals in various ecological contexts, from preypredator interactions to mate selection, and orientation to flow itself. Among these animals, crickets use hundreds of filiform hairs on two cerci as an early warning system to detect remote potential predators. Over the years, the cricket hairs have been described as the most sensitive sensor in the animal kingdom. The energy necessary for the emission of an action potential by its sensory neuron was estimated to be a tenth of the energy of a photon. This PhD thesis aims to describe recent technological advances in the measurement and model of flows around biological and artificial flow sensors in the context of organismal sensory ecology. The study and understanding of the performance of sensory systems requires a high spatial precision of non-intrusive measurement methods. Thus, non-contacting measurement methods such as and Particle Image Velocimetry (PIV), originally developed by aerodynamics and fluid mechanics engineers, have been used to measure flows of biological relevance. The viscous oscillatory boundary layer surrounding filiform hairs has been visualized and used as input to model the mechanical response of these hairs, described as second order mechanical systems. The viscous hydrodynamic coupling occurring within hair canopy was also characterized using PIV measurements on biomimetic micro-electro-mechanical systems (MEMS) hairs, mimicking biological ones. Using PIV, we have also measured the air flow upstream of hunting spiders. We prove that this flow is highly conspicuous aerodynamically, due to substantial air displacement detectable up to several centimeters in front of the running predator. This disturbance of upstream air flows were also assessed by computational fluid dynamics (CFD) with the finite elements method (FEM). The development of non-intrusive measurement and CFD methods and their application to the analysis of the biological flow involved in cricket sensory ecology allowed us to revisit the extreme sensitivity of cricket filiform hairs. We predicted strong hydrodynamic coupling within natural hair canopies and we addressed why hairs are packed together at such high densities, particularly given the exquisite sensitivity of a single hair. We also proposed a new model of hair deflection during the arrival of a predator, by taking into account both the initial and long-term aspects of the flow pattern produced by a lunging predator. We conclude that the length heterogeneity of the hair canopy mirrors the flow complexity of an entire attack, from launch to grasp.

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.