Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique, productique et transports : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 69 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Enegétique et transferts : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 103 réf.

Th. 3e cycle--Electronique, électrotech., autom,--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 75.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1978. N°: 38.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1979. N°: 42.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le présent projet de recherche porte sur l’étude d’un amplificateur à fibre à double gaine codopée à l’erbium et l’ytterbium de haute puissance. Le but premier du projet est de concevoir un outil de simulation capable de prédire adéquatement les performances expérimentales de tels amplificateurs en régime continu. Tout d’abord, un outil de simulation permettant de modéliser l’amplification de la lumière dans une fibre optique est développé et implémenté numériquement avec le langage de programmation C++. Ce modèle est conçu de façon générale et s’applique à tout type d’amplificateur et de laser à fibre où la structure énergétique du dopant est connue. Ensuite, la caractérisation expérimentale complète d’une fibre optique dopée est effectuée. Ces mesures sont nécessaires pour déterminer les paramètres d’entrée des simulations. Des mesures expérimentales sont également effectuées pour caractériser les performances d'un amplificateur et de lasers à fibre erbium/ytterbium. Dans la dernière partie du travail, nous comparons l’outil de simulation aux mesures expérimentales d’amplification. Avant de considérer une fibre codopée à l’erbium et l’ytterbium, nous avons préalablement validé notre modèle avec la littérature et avec le cas simple d’un laser à fibre à double gaine dopée seulement à l’ytterbium. Notre modèle a ensuite été développé précisément pour le système erbium/ytterbium suivant une structure énergétique simple éliminant le nombre de paramètres à corréler. Ensuite, tel que justifié dans notre mémoire, nous avons ajusté le taux de transfert entre l’ytterbium et l’erbium pour obtenir une excellente corrélation entre les simulations et les résultats expérimentaux d’amplificateur erbium/ytterbium de haute puissance. Nous avons constaté que la section efficace d’émission de l’ytterbium prédite par la relation de McCumber est largement surestimée dans l’erbium/ytterbium. Nous avons aussi vérifié que notre modèle ainsi ajusté permet de prédire adéquatement les performances d’amplificateurs erbium/ytterbium dans des configurations variées. / The main purpose of this project is to predict the behaviour of a high power double cladding erbium/ytterbium fibre amplifier in continuous wave operation using a simulation tool. A software simulating the amplification of light in a doped optical fibre has been developed and implemented numerically using the C++ computer language. This general model is suitable for any amplifier or laser scheme with a given active ion. The doped fibres used in the project have been characterized experimentally to determine the input parameters for the simulation. Experiments have also been conducted to measure the performance of such doped fibres in laser and amplifier configurations. We subsequently focus on comparing experiments and simulations. We first validate our software with results from scientific papers and with experimental data for the simple case of an ytterbium doped fibre laser. A simulation model is then developed for an erbium/ytterbium system using a simple energy level scheme reducing the number of parameters to adjust. The transfer rate between ytterbium and erbium atoms is fitted using experiments, which results in an excellent agreement between simulations and experiments. The resulting simulation software is then able to predict experimentally the performance of a high power double clad erbium/ytterbium amplifier in different configuration schemes. A new fact arises from our investigation: the emission cross-section of ytterbium in an erbium/ytterbium codoped fibre happens to be much smaller than that predicted by the McCumber theory.

Dans le contexte actuel de protection des ressources naturelles de façon durable, la maîtrise des pulvérisations agricoles de pesticide est essentielle. La simulation numérique de tels écoulements est rendue indispensable tant les essais en champ sont difficiles. Dans le cadre du projet RECUPAIR, on cherche à construire, valider puis optimiser un modèle numérique pour simuler les écoulements dans une vigne. Pour éviter de modéliser la déformation du feuillage due au jet, nous avons construit puis validé successivement des modélisations à feuilles mixtes (une partie imperméable au centre et deux extrémités poreuses) puis totalement poreuses. L'optimisation de la perméabilité des feuilles est faite par comparaison statistique des vitesses moyennes avec des mesures en champ. Enfin, le rôle de l'écran récupérateur est examiné. Les comparaisons sont très satisfaisantes compte tenu des erreurs expérimentales et numériques. Cette nouvelle méthode de prévision de pulvérisation constitue donc une avancée intéressante dans le domaine agricole.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide. Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée. Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices. Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices. / This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speed-no-load. Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected. To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle. The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.

Cette maîtrise s'inscrit dans le projet Tr-Francis du laboratoire Heki de l'Université Laval. Ce mémoire présente l'exploration de stratégies de simulation fluide-structure bidirectionnelle à l'aide du code Star-CCM+ dans le but d'étudier les résonances de turbines hydrauliques. Concrètement, le travail vise à déterminer si la stratégie disponible dans Star-CCM+ permet de reproduire la physique d'une résonance liée à l'interaction rotor-stator d'une géométrie tournante à symétrie cyclique, analogue à celle d'une turbine Francis. Pour ce faire, une géométrie plus simple, mais semblable à une aube de turbine est d'abord étudiée, un *hydrofoil*. Une simulation FSI bidirectionnelle est produite sur l'hydrofoil F99 en condition de synchronisation de la réponse structurelle avec le détachement tourbillonnaire. Cette première simulation permet de déterminer les paramètres généraux à utiliser. Cette simulation ne parvient pas à reproduire les résultats expérimentaux obtenus à l'Université de science et technologie de Norvège, principalement en ce qui concerne la fréquence d'émission des tourbillons. Étant donné que l'accroche n'est pas atteinte, la résonance n'est pas observée. Afin d'assurer que la stratégie est apte à reproduire la physique de la résonance, le module d'élasticité est modifié afin de faire concorder la fréquence naturelle de la structure à la fréquence des tourbillons. L'accroche des tourbillons est alors reproduite avec cohérence en ce qui concerne la déformation de la structure et de l'écoulement. La stratégie est ensuite adaptée afin qu'elle soit utilisée sur le cas test RSI conçu par Dussault au laboratoire Heki. Les modifications sont majoritairement liées au domaine tournant nécessaire pour simuler la rotation de la roue du cas test. Les conditions de simulation sont choisies afin d'obtenir une résonance du mode à deux diamètres nodaux de la roue. Ici, l'apparition d'éléments à volume négatif dans le maillage empêche la simulation d'atteindre plus de 1.3 tour de roue simulé. À ce point, les fluctuations de pression liées à l'interaction rotor-stator sont clairement observables et une déformation liée au mode 2ND est obtenue. Toutefois, la déformation de la roue est dominée par la torsion. Il est difficile d'expliquer l'apparition de la torsion, la meilleure hypothèse portant sur les conditions initiales de la simulation. Également, certaines variations de pression incohérentes sont détectées, possiblement liées à des instabilités du solveur fluide. / This master project is part of Tr-Francis project at Heki Laboratory of Université Laval. This thesis presents the exploration of two-way fluid-structure simulation strategies with Star-CCM+ to study the resonances of hydraulic turbines. Concretely, the objective is to establish if the approach of Star- CCM+ can reproduce a resonance induced by rotor-stator interaction in the case of a simplified turbine model. To do so, a simpler case is studied, a hydrofoil. This geometry is similar to a runner blade of a hydraulic turbine without the complexity of the rotating domain. A two-way simulation is performed on the hydrofoil F99 in lock-in conditions. This first simulation is used to explore the general parameters of the software. This simulation fails to reproduce experimental data from the Norwegian University of Science and Technology, mainly regarding the vortex shedding frequency. The lock-in is not achieved and so is the resonance. To verify if the strategy can reproduce the resonance physics, the young modulus of the material is modified to match the natural frequency to the vortex shedding frequency simulated. The lock-in is now reproduced with consistent structural deformation and flow. Afterward, the strategy is adapted for the RSI test case developed by Dussault at Heki laboratory. Main modifications are related to the rotating domain used to simulate the runner rotation. Operating conditions are selected to obtain resonance of the two nodal diameters mode of the runner. The simulation fails to run more than 1.3 runner turns before the appearance of negative volume cells in the runner mesh. In the simulation, the RSI pressure fluctuations are identified, and a two nodal diameter mode is observed. However, the main runner deformation is in torsion. The main hypothesis to explain this behavior is related to the fluid initial conditions. Also, inconsistent pressure fluctuations are detected in the runner, possibly related to some solver instabilities.