Dans une chaîne de traitement des eaux usées, les unités de dessablage permettent d’éliminer les particules nuisibles aux procédés localisés en aval. Malgré leur importance, les unités de dessablage ont peu été étudiées. Les méthodes de caractérisation des particules de l’affluent et l’effluent de l’unité de dessablage sont non-standardisées, rendant difficile l’évaluation des performances de celles-ci. L’objectif de ce mémoire est donc de développer un protocole de caractérisation de la décantabilité des particules d’un affluent et d’un effluent d’unités de dessablage et d’établir un protocole d’évaluation de la performance d’un dessableur. Afin de développer un protocole de caractérisation de la décantabilité, les principaux paramètres étudiés en laboratoire sont la taille, la vitesse de chute et la densité des particules. Cinq protocoles de caractérisation de la taille des particules ont été comparés. La caractérisation de la vitesse de chute a été réalisée à l’aide du protocole ViCAs et du système d’élutriation. Le protocole de caractérisation des particules de « grit » retenues consiste à laver les particules humides, les sécher à 105°C et les tamiser. Ce protocole est répétable et représentatif. Il a été observé que les particules sont composées généralement d’un mélange hétérogène de matière inorganique et organique de différentes dimensions. Toutefois, lors des évènements pluvieux, les distributions granulométriques sont plus fines et inorganiques comparativement au temps sec. On note aussi que la densité est plus grande pour les fractions plus petites que 600 microns (ρ=2,50) comparativement aux fractions plus grossières (ρ=1,40). Seul le système d’élutriation a permis de caractériser de grandes vitesses de chute (> 100 m/h) et peut être utilisé pour l’évaluation de la performance d’un dessableur. Pour être applicable, le protocole ViCAs doit être modifié en utilisant une colonne plus haute. / In wastewater treatment plant, grit chambers eliminate particles that will negatively affect processes downstream. Despite their importance, grit chambers are little studied. The characterization methods of the grit chamber’s influent and effluent are not standardized, making it difficult to compare and evaluate the performances reported. The objective of this master thesis was therefore to develop a protocol to characterize the settling properties of particles in an influent and effluent of a grit chamber unit and to establish a protocol to evaluate the grit chamber’s performance. In order to develop a settling characterization protocol, main parameters studied in the laboratory are the particle size, the particle settling velocity and the particle density. Five particle size characterization protocols were compared. The characterization of the settling velocity was evaluated using the ViCAs protocol and the elutriation system. The retained characterization protocol for grit chamber particles consists of washing wet particles, drying them at 105 °C and sieving them. The protocol was found to be repeatable and representative. It has been observed that the particles are generally composed of a heterogeneous mixture of inorganic and organic matter of different sizes. However, during rain events, the particles are smaller and more inorganic compared to dry weather. It was also noted that the density was greater for fractions smaller than 600 microns (ρ=2.50) compared to coarser fractions (ρ=1.40). Only the elutriation system allows characterizing high settling velocities (> 100 m/h) and can be used for evaluating the grit chamber’s performance. To be applicable, the ViCAs protocol must thus be modified, employing a taller column.

Le succès de la fusion nucléaire par confinement magnétique repose sur un confinement efficace des particules alpha, qui sont des ions hautement énergétiques produits par les réactions de fusion. De telles particules peuvent exciter des instabilités dans le domaine de fréquence des modes d'Alfvén (AEs) qui dégradent leur confinement et risquent d'endommager l'enceinte à vide de réacteurs futurs. Afin de développer des diagnostiques et moyens de contrôle, une meilleure compréhension des comportements linéaire et non-linéaire des interactions résonantes entre ondes plasma et particules énergétiques, qui constitue le but de cette thèse, est requise. Dans le cas d'une résonance unique et isolée, la description de la déstabilisation des AEs par des ions énergétiques est homothétique au problème de Berk-Breizman (BB), qui est une extension du problème classique de l'instabilité faisceau, incluant un amortissement externe vers un plasma thermique, et des collisions. Un code semi-Lagrangien, COBBLES, est développé pour résoudre le problème aux valeurs initiales de BB selon deux approches, perturbative (delta f) et auto-cohérente (full-f). Deux modèles de collisions sont considérés, à savoir un modèle de Krook, et un modèle qui inclue la friction dynamique et la diffusion dans l'espace des vitesses. Le comportement non-linéaire de ces instabilités dans des conditions correspondantes aux expériences est catégorisé en régimes stable, périodique, chaotique, et de balayage en fréquence (sifflet), selon le taux d'amortissement externe et la fréquence de collision. On montre que le régime chaotique déborde dans une région linéairement stable, et l'on propose un mécanisme qui résout le paradoxe que constitue l'existence de telles instabilités sous-critiques. On développe et valide des lois analytiques et semi-empiriques régissant les caractéristiques non-linéaires de sifflet, telles que la vitesse de balayage, la durée de vie, et l'asymétrie. Des simulations de longue durée démontrent l'existence d'un régime de sifflets quasi-périodiques. Bien que ce régime existe quel que soit l'un des deux modèles de collision, la friction et la diffusion sont essentielles pour reproduire l'alternance entre sifflets et périodes de repos, telle qu'observée expérimentalement. Grâce à ces découvertes, on développe une nouvelle méthode pour analyser des paramètres cinétiques fondamentaux du plasma, tels que le taux de croissance linéaire et le taux d'amortissement externe. Cette méthode, qui consiste à faire correspondre les simulations de COBBLES avec des expériences d'AEs qui présentent des sifflets quasi-périodiques, ne requiert aucun diagnostique interne. Cette approche est appliquée à des AEs induits par la toroidicité (TAEs) sur les machines JT-60 Upgrade et Mega-Amp Spherical Tokamak. On obtient des estimations de paramètres cinétiques locaux qui suggèrent l'existence de TAEs relativement loin de la stabilité marginale. Les résultats sont validés en recouvrant la croissance et décroissance de l'amplitude des perturbations mesurées, et en estimant les fréquences de collision à partir des données expérimentales d'équilibre.

Durant ma thèse je me suis intéressée à deux manifestations spécifiques de la libération d'énergie lors des éruptions solaires: les particules énergétiques et la dynamique de la reconnexion magnétique. Grâce à une étude détaillée des séquences temporelles des différentes signatures électromagnétiques, produites par les particules énergétiques dans la couronne (RHESSI, CORONAS-F, NoRP), et du flux de particules relativistes à la Terre (Moniteurs à neutrons), j'ai pu montré que les particules impactant la Terre étaient accélérées durant un épisode spécifique d'accélération lors de la phase impulsive de l'éruption. Cette étude multi-longueurs d'ondes suggère également que le mécanisme d'accélération des particules injectées plus tard, n'est pas nécessairement identique. Le diagnostic du rayonnement radio (WIND, RSTN) m'a permis d'établir que la longueur interplanétaire parcourue par les particules de la première injection, ~ 1.5 UA, est plus grande que celle généralement supposée pour le transport des particules solaires à la Terre (~1.2 UA). J'ai alors développé une nouvelle méthode permettant d'identifier la structure magnétique interplanétaire dans lesquelles les particules se propagent jusqu'à la Terre. Les analyses des mesures in-situ du champ magnétique (ACE/MAG) et des paramètres plasma (ACE/SWEPAM) du milieu interplanétaire, m'ont permis d'identifier les structures magnétiques du milieu interplanétaire lors des événements à particules relativistes. La comparaison de ces structures avec la longueur parcourue par les particules et obtenue par une analyse de dispersion des vitesses des flux de particules à la Terre (SoHO/ERNE et moniteurs à Neutron) montre clairement que la distance parcourue dépend de la structure magnétique présente à la Terre, mais également que la connexion de la région active à la Terre peut être assurée par des structures magnétiques transitoires différentes de celle de la spirale de Parker comme généralement admis. Le second volet de ma thèse porte sur l'étude de la dynamique de la reconnexion magnétique. L'implémentation du code développé par G. Aulanier, m'a permis de réaliser la première simulation numérique tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'un événement solaire observé, contrainte par les mesures du champ magnétique (SoHO/MDI). Par cette étude, j'ai montré que la dynamique des brillances, observées à la surface solaire et généralement attribuée à l'impact de particules énergétiques, s'expliquait par la succession de différents régimes de reconnexion magnétique. J'ai montré que cette dynamique de la reconnexion magnétique était due à une topologie magnétique hybride où les séparatrices associées à un point nul était incluses dans des quasi-séparatrices. La reconnexion à travers les séparatrices se traduit par un saut de connectivité, tandis que la reconnexion à travers les quasi-séparatrices induit un changement continu de la connectivité des lignes de champ magnétique. J'ai ensuite réalisé une seconde simulation tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'une configuration magnétique en point nul asymétrique, mais cette fois impliquant des lignes de champ ouvert lors de la reconnexion. Après avoir confirmé la présence de quasi-séparatrices entourant les sépratrices, ce travail m'a permis de d'établir un nouveau modèle d'injection de particules dans l'héliosphère, permettant d'expliquer les mesures interplanétaires de particules dans une large gamme de longitude, qui sont généralement expliquer par la diffusion des particules dans la couronne.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 106 réf. bibliogr.

Une plaque métallique soumise à un choc (étain, quelques 10 GPa) se met en mouvement et subit divers endommagements comme l'écaillage ou l'éjection d'un nuage de particules. Deux principaux mécanismes sont à l'origine de ce nuage : la micro-éjection et le passage en fusion. La Vélocimétrie Hétérodyne (VH) est un diagnostic de mesure multi-vitesses résolue en temps. Son développement a été rendu possible dans les années 2000 ; sa conception, entièrement fibrée, permet une intégration aisée aux expériences de physique des chocs. L'objet de ce mémoire de doctorat est de qualifier les apports de la VH pour la caractérisation des nuages de particules hautement véloces (plusieurs km/s), notamment de ceux issus de la micro-éjection.Ce document propose un état de l'art des générateurs de choc, des diagnostics et des études (numériques ou expérimentales), associé à la physique de la micro-éjection métallique par des micro-stries. Une étude poussée du diagnostic VH est proposée. Elle conduit à la définition d'un spectrogramme temps-vitesse en unité de puissance collectée ainsi qu'une limite de détectivité du dispositif. Grâce à des modèles basés sur la physique de la diffusion, une limite en termes de diamètre de particules observables est annoncée. Un programme de simulation de spectrogramme VH est présenté dans le cadre des études de nuage. Enfin, plusieurs campagnes expérimentales sont exposées. Elles soulignent les capacités remarquables du moyen ; les résultats sont comparés aux simulations. La distribution en diamètre de particules a pu être inférée grâce au freinage imposé par le gaz ambiant ou d'autres gaz. Des analyses radiométriques sont également proposées. / A metal plate subjected to a shock (tin, 10 GPa) undergoes a variety of damages such as spalling or the ejection of a cloud of particles. Two main mechanisms govern the formation of this cloud: the micro-jetting and the melting under shock. Photonic Doppler Velocimetry (PDV, a.k.a. LDV or het-V) is a multi-velocity time-resolved diagnostic. Developed from 2000s, the all-fibered conception makes its integration easy into shock experiments. The purpose of the thesis is to describe the contributions of PDV systems for high-velocity (several km/s) particle-cloud characterization, including micro-jetting cloud.This document presents a state of the art of shock generators, diagnostics and (numerical and experimental) studies involved in metallic micro-machined jetting. An extensive study of a PDV system is proposed. It leads to the definition of time-velocity spectrogram, evaluated in units of collected power, and a detectivity limit. Thanks to photon diffusion models, a threshold in the diameter of the measured particle is estimated. A PDV spectrogram simulation program is shown within the framework of particle clouds. Finally, several experimental campaigns are exposed. They emphasize the remarkable capacities of the system; results are compared to simulations. Diameter distributions are inferred using slowing down in air or in other gazes. Some radiometric analyses are also performed.

Ce travail a eu pour objectif d’étudier l’oxydation hétérogène de composés aromatiques polycycliques (CAP) adsorbés sur des particules solides, exposés à des oxydants troposphériques. Après adaptation et validation des protocoles analytiques, deux aspects ont été abordés : les cinétiques de dégradation avec O3, NO2 et OH dans un premier temps, puis l’étude des produits d’oxydation formés au cours de ces réactions. Les constantes de vitesse mesurées ont permis de comparer les différences de réactivité entre les composés étudiés (pyrène, 1-nitropyrène, 1-hydroxypyrène, 9,10-anthraquinone). L’influence de différents paramètres sur la réactivité (nature des particules, concentration en HAP…) a aussi été étudiée. Enfin, la détermination des produits d’oxydation et leur quantification, quand cela a été possible, a permis de mieux comprendre le devenir de ces composés particulaires dans l’atmosphère, à travers les mécanismes réactionnels proposés. / This work deals with the study of the atmospheric heterogeneous oxidation of polycyclic aromatic compounds (PACs) adsorbed on particles. After the development and the validation of the different analytical procedures, degradation kinetics and oxidation products were investigated for the reactions of NO2, OH and O3 with pyrene, 1-nitropyrene, 1-hydroxypyrene and 9,10-anthraquinone. The measured rate constants allowed to compare the reactivity of the different compounds. The influence of some parameters on the reactivity (nature of particles, PAC concentration…) has also been studied. Finally, the corresponding oxidation products were also measured, and quantified when possible, allowing to a better understanding of the fate of particulate PACs in the atmosphere, through the proposed chemical mechanisms.

Des mélanges de gaz et de particules sont présents dans divers environnements géophysiques. De tels mélanges chauds sont générés par des éruptions volcaniques explosives et comprennent des écoulements de conduit, des jets et des panaches, ainsi que des courants de densité pyroclastiques. La concentration de particules dans ces mélanges volcaniques peut varier fortement, allant de concentrations élevées (>50 % en volume) dans les écoulements denses fluidisés à des concentrations très faibles dans les suspensions diluées dans lesquelles les particules sont mises en suspension par la phase gazeuse turbulente. Une limite de concentration inférieure à ~% en volume dans les suspensions diluées a été suggérée par des études récentes, car des concentrations plus élevées nécessiteraient une énergie cinétique turbulente excessive. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier expérimentalement le comportement d'un écoulement d'air turbulent dans un cylindre avec des concentrations de particules croissantes, pour différents nombres de Reynolds et en utilisant différents types de particules. Les nombres de Reynolds des mélanges gaz-particules dans les expériences atteignaient ~106. Une première série d'expériences a été menée avec des billes de verre de différentes tailles allant de 75-80 μm jusqu'à 2 mm, pour un total de huit tailles de particules. Au-dessus d'un seuil de concentration moyenne de 0.5-3 % en volume, qui augmentait avec le nombre de Reynolds, le comportement de l'écoulement a montré une transition d'une suspension homogène de particules (sous la concentration maximale) vers une séparation en une partie basale dense et une partie supérieure diluée contenant la concentration maximale des particules. Ce seuil de concentration a été détecté à l'aide de mesures de pression et d'une méthode impliquant une sphère dont la densité était légèrement inférieure à la densité apparente des particules et qui pouvait donc flotter au-dessus de la partie basale dense, si celle-ci était présente. Des vidéos à haute vitesse ont révélé que l'apparition de la concentration maximale de particules coïncidait avec l'émergence d’amas de particules dans la partie turbulente diluée. Dans une deuxième partie de la thèse, les expériences ont été répétées pour cinq gammes de tailles de particules de céramique et elles ont révélé le même comportement général que pour les billes de verre. Pour les deux types de particules, une concentration maximale a pu être détectée pour presque toutes les tailles de particules et a montré une augmentation avec le nombre de Reynolds à la puissance 1/5 (billes de verre) ou 0.4 (billes de céramique). Compte tenu du nombre de Reynolds des particules, la concentration maximale des particules augmente ensuite jusqu'à la puissance de 1/6 pour les particules de céramique et de verre. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure des mélanges gaz-particules volcaniques et ils fournissent également des contraintes pour les données d'entrée et de sortie des simulations numériques et pour les observations géophysiques. / Mixtures consisting of gas and particles can be found in various geophysical environments. Hot mixtures are generated by explosive volcanic eruptions and include conduit flows, jets and buoyant plumes, and pyroclastic density currents. The particle concentration within these volcanic mixtures can vary highly, from high concentrations (>50 vol. %) in dense fluidized flows to very low concentrations in dilute suspensions in which the particles are suspended by the turbulent gas phase. A concentration limit of less than ~1 vol. % in dilute suspensions was suggested by recent studies, as higher concentrations would require excessive turbulent kinetic energy. The main objective of this thesis was to investigate experimentally the behavior of a turbulent air flow in a pipe with increasing particle concentrations, for different Reynolds numbers and using different types of particles. The Reynolds numbers of the gas-particle mixtures in the experiments were up to ~106. A first set of experiments was conducted with glass beads of varying sizes from 75-80 μm up to 2 mm, for eight particle size ranges in total. Above a bulk concentration threshold of ~0.5-3 vol. %, which increased with the Reynolds number, the flow behavior changed from a homogeneous suspension of particles (below the maximum concentration) to a separation into a dense basal part and an upper dilute part carrying the maximum concentration of particles. This concentration threshold was detected with pressure measurements and a method that involved a ball of a slightly lower density than the bulk density of the particles, which could thus float over the dense basal part, if present. High-speed videos revealed that the occurrence of the maximum particle concentration coincided with the emergence of particle clusters in the dilute turbulent part. In a second part of the thesis, the experiments were repeated for five ceramic particle size ranges and they yielded the same general behavior as for the glass beads. For both types of particles, a maximum concentration could be detected for almost all particle size ranges and showed an increase with the mixture Reynolds number to the power 1/5 (glass beads) or 0.4 (ceramic beads). Considering the particle Reynolds number the maximum particle concentration then increase to the power 1/6 for both ceramic and glass particles. These results give new insights about the structure of volcanic gas-particle mixtures and they also provide constraints for input and output data of numerical simulations and for geophysical observations.

Ce travail a eu pour objectif d'étudier l'oxydation hétérogène de composés aromatiques polycycliques (CAP) adsorbés sur des particules solides, exposés à des oxydants troposphériques. Après adaptation et validation des protocoles analytiques, deux aspects ont été abordés : les cinétiques de dégradation avec O3, NO2 et OH dans un premier temps, puis l'étude des produits d'oxydation formés au cours de ces réactions. Les constantes de vitesse mesurées ont permis de comparer les différences de réactivité entre les composés étudiés (pyrène, 1-nitropyrène, 1-hydroxypyrène, 9,10-anthraquinone). L'influence de différents paramètres sur la réactivité (nature des particules, concentration en HAP...) a aussi été étudiée. Enfin, la détermination des produits d'oxydation et leur quantification, quand cela a été possible, a permis de mieux comprendre le devenir de ces composés particulaires dans l'atmosphère, à travers les mécanismes réactionnels proposés.

Le monde agricole québécois a actuellement la volonté de mettre en place une filière biomasse pour la production de chaleur à la ferme. Toutefois, la législation sur la qualité de l’air du Québec ne permet pas de valoriser aisément des cultures énergétiques à cette fin. Dans la littérature, le manque de facteurs d’émission en lien avec la combustion de biomasses lignocellulosiques limite l’actualisation du règlement, plutôt contraignant dans le moment, pour répondre aux besoins du milieu. Par ailleurs, la variabilité des propriétés physico-chimiques des plantes agricoles rend le dossier encore plus complexe. Le présent projet visait donc à quantifier l’influence des caractéristiques (espèce, composition chimique, date de récolte, forme, etc.) des cultures dédiées ayant le meilleur potentiel de développement au Québec sur les émissions atmosphériques (particules et gaz) lors de la combustion à la ferme. Une revue critique de la littérature a d’abord ciblé, en plus du bois (référence), quatre biomasses agricoles d’intérêt : le saule à croissance rapide, le panic érigé, le miscanthus et l’alpiste roseau. Ces cultures pérennes ont ensuite été acquises de divers producteurs selon la forme du produit (copeaux, granules ou vrac) et sa date de récolte (automne ou printemps). Au total, 12 différentes biomasses ont été brûlées dans une chaudière multi-combustible de 29 kW au Laboratoire sur les énergies en agriculture durable (LEAD) de l’Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA). Au cours de 36 essais expérimentaux (3 répétitions), les paramètres d’opération (masse du combustible, températures de la chambre, de l’effluent gazeux et de l’eau de l’échangeur de chaleur, débits des gaz et du fluide caloporteur, etc.) et les concentrations de 11 gaz (CO, CO[indice inférieur 2], CH[indice inférieur 4], N[indice inférieur 2]O, NO, NO[indice inférieur 2], NH[indice inférieur 3], SO[indice inférieur 2], HCl, H[indice inférieur 2]O et O[indice inférieur 2]) ont été mesurés en continu. Les matières particulaires ont aussi été échantillonnées pour chaque test de combustion à l’aide de la Méthode 5 de l’United States Environmental Protection Agency (USEPA). Au final, aucune des biomasses n’a respecté les valeurs limites de particules décrites par la règlementation environnementale québécoise avec le système de combustion utilisé. Des contraintes technologiques et la vaste gamme de biomasses sélectionnées ont compliqué l’ajustement des conditions optimales d’opération pour chaque combustible. Néanmoins, plusieurs tendances ont été soulevées. Le bois, étant donné ses faibles teneurs en éléments inorganiques, a produit moins de polluants que les plantes à vocation énergétique. Dans leur cas, leurs émissions particulaires et gazeuses ont généralement été proportionnelles à leurs contenus en azote, en soufre, en chlore, en métaux alcalins et en cendres. C’est ce qui explique que le lessivage causé par la fonte des neiges et subi par une culture récoltée au printemps ait entraîné une diminution importante des rejets atmosphériques. De plus, la granulation, qui permet en densifiant et en homogénéisant le produit de mieux contrôler le procédé, a engendré une baisse des composés issus d’une combustion incomplète. L’analyse de l’impact des propriétés physico-chimiques des cultures sur les émissions lors de la combustion a mené à l’établissement d’un cadre potentiel de certification de la qualité de la biomasse agricole. Un modèle de prédiction de la composition des gaz, basé sur la notion d’équilibre thermodynamique et la minimisation de l’énergie libre de Gibbs, a également été développé pour estimer rapidement les rejets de combustion de toute biomasse et ainsi faciliter son classement à l’intérieur du cadre proposé.

La filtration des particules diesel est un enjeu industriel et environnemental majeur depuis la découverte des effets cancérigènes de ces particules et l'avènement des réglementations drastiques Euro IV (2005) et V (2008-2010). Le but de cette étude est de montrer la faisabilité industrielle d'une filtration de ces particules sur un support métallique fibreux plongé dans un champ électrique. Le procédé prend la forme d'un électrofiltre fil-cylindre à contre-électrode poreuse à travers de laquelle passe tout le gaz traité. Il a été montré que ce procédé pouvait avantageusement être utilisé comme agglomérateur de particules et permettait un glissement de taille d'un facteur 50 des particules diesel. Le procédé, de par sa conception originale, permet de travailler avec des temps de séjour de quelques millisecondes et avec une forte intensité énergétique, ce qui entraîne par conséquent un volume extrêmement réduit compatible avec un montage sur véhicule. Sur un plan technique, le filtre électrostatique s'est montré peu tributaire des matériaux utilisés, en terme de matrices filtrantes et d'électrodes haute tension, mais très influencé par contre par la polarité de la haute tension et la qualité de l'isolation électrique. Les derniers essais avec un montage optimisé ont permis d'obtenir des abattements minimums de 90% en nombre de la phase particulaire submicronique diesel sur cycle NEDC avec des surconsommations carburant estimées de moins de 1%, ce qui correspond à peu près à une énergie volumique de 1 Joule par litre de gaz traité. Cette étude a permis de mettre au point un modèle mathématique de l'agglomérateur intégrant les toutes dernières avancées sur les méthodes numériques de résolution des équations de Maxwell en présence de charge espace, sur la prise en compte de la turbulence et sur le traitement des particules diesel comme amas fractaux. Le procédé est actuellement dans une phase d'industrialisation très avancée.