Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence ce modèle d'interprétation. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées. / Erosion mechanisms are the main cause of hydraulic failure in embankments. Therefore, the resistance of soils to erosion must be quantified. To this hand, several devices are used such as the Jet Erosion Test (JET), whose model of interpretation is strongly empirical. The aim of this study is to determine the relevance of the interpretation model of the JET. For this purpose, a 2D Navier-Stokes numerical model of erosion of cohesive soils by a turbulent flow has been proposed. We first developed and implemented an interface movement model, whose input parameters are the erosion parameters found experimentally by JET test. Then, the scour depth evolutions obtained numerically for three JET test cases are compared to experimental data. Good agreement is obtained. A parametric study has also been conducted to validate the accuracy of the numerical results. These results contribute to the validation of the JET interpretation model. To extend its domain of application, we applied the numerical model to concentrated leak erosion during Hole Erosion Tests (HET). Three HET were modeled and, here again, our numerical results are in satisfactory agreement with the experimental results from the tests. An analysis of the erosion law and erosion parameters obtained with JET and HET was finally initiated. The potential influence of the flow incidence angle on the erosion efficiency was underlined.

La rupture des barrages et des digues en terre est susceptible d’avoir des conséquences importantes en aval et dans les zones protégées. Nous avons mené une analyse hydro-mécanique de la formation et du développement de brèche destinée à améliorer la précision des approches actuelles. Dans le cas de l’érosion interne, un modèle d’agrandissement de conduit a été proposé pour modéliser la rupture des digues et barrages en terre par écoulement concentré. Ce modèle tient compte de l’érosion du sol par un écoulement de conduit turbulent. En ce qui concerne l’élargissement de la brèche, un modèle simple d’estimation de la longueur critique d’afouillement par “headcut” est proposé, fonction de la résistance du sol à la traction. Ce modèle est en bon accord avec les résultats numériques obtenus par équilibre limite. Un modèle simplifé pour la contrainte latérale sur les parois de la brèche a ensuite été proposé. Ce modèle tient compte des écoulements secondaires. Il montre que la contrainte latérale peut être plus grande que la contrainte de fond, suivant la situation. Finalement, une expérimentation de grande dimension de rupture de barrage par erosion de conduit a été modélisée avec le modèle d’érosion de conduit proposé, et quelques composantes des modèles d’élargissement de brèche proposés. L’élargissement de la brèche par paliers a été reproduite au début du processus. Les perspectives de validation et d'application des modèles proposés sont discutées. / The failure of embankment dams and levees can have serious consequence in floodplains. Hydro-mechanical analyses of the breach processes were conducted to develop the accurate estimation of the failure of embankment dams and levees. Considering the internal erosion process, a pipe enlargement model was proposed to simulate the failure of embankment dams and levees by concentrated leak erosion. In this model, the turbulent pipe flow with erosion mechanism was employed as well as the soil erosion law. Considering the breach enlargement process, a simple headcut migration model based on the soil tensile strength was presented to simulate the critical length of the headcut. Good agreements were obtained by comparing with the limit equilibrium numerical model. A simple model was eventually proposed to simulate the lateral shear stress on the breach sides, accounting for the secondary flow. The lateral shear stress can be greater than the bottom shear stress, depending on the situation. . Finally, a large-scale test of dam failure was simulated by using the pipe enlargement and some components of the breach widening models proposed. The simulation of the pipe enlargement process had good agreement with the measured data. Both of the pipe diameter and the discharge flow were well simulated. The stepwise enlargement of the breach width was also well simulated at the beginning of the breach widening process. Validation and application prospects of the proposed models are discussed.

La réussite du développement de vols spatiaux de longue durée, ainsi que de l’établissement de stations permanentes nécessite des systèmes fermés autonomes bien contrôlés. L’optimisation d’une boucle fermée d’un système support vie bio-régénératif, impose le contrôle de l’hydrodynamique et des transferts de chaleur et de masse couplés qui se développent au sein d’un habitacle spatial comprenant des hommes ou des plantes. Un protocole expérimental (expérience terrestre et méthode de mesure) a été conçu pour quantifier les vitesses de l’air et les transferts hétérogènes qui se développent par condensation d’air humide sur une surface plate horizontale de petite taille (25 cm2), en conditions contrôlées (régime d’écoulement, hygrométrie, température). Une surface active était maintenue isotherme sous le point de rosée par thermoélectricité et le flux de masse était mesuré par pesée. Un tunnel climatique a été utilisé pour générer des écoulements laminaires ou faiblement turbulents. Environ 70 expériences de condensation ont été réalisées à température ambiante (19-23°C) avec une humidité relative de 35-65 % et pour des vitesses comprises entre 1.0 et 3.0 m/s. Le dispositif de condensation a un comportement de type profil épais pour l’écoulement et les coefficients de transferts de masse ont été évalués. L’augmentation de l’intensité de l’écoulement se traduit par une dépendance du nombre de Sherwood en Re2/3. Une relation empirique est proposée pour estimer la température de la surface. Le comportement de l’écoulement au sein de la couche limite et de la croissance des gouttes sur la surface de la plaque sont discutées. Ce travail expérimental sera utile pour le développement de modèles théoriques adaptés à d’autres géométries. / For the development of successful long term space flights, and the establishment of permanent bases in space, a well controlled self sustained closed environment is required. In order to optimize a closed-loop bio-regenerative life support system, it is necessary to control the hydrodynamics and the coupled heat and mass transfer, which develop in a space habitat concerned with humans and plants. We have designed a ground based experimental setup and protocol to measure the air flow velocities and concomitant mass transfer by condensation of water vapour from humid air on a horizontal flat plate of small size (area 25 cm2), in a controlled air flow conditions (flow regime, hygrometry, temperature). An active isothermal surface was kept below the dew point, by using thermoelectricity, and precise weighing of the condensate in order to evaluate the rate of mass flux. An air-conditioned closed circuit wind tunnel has been used to produce laminar to weakly turbulent flows. Almost 70 condensation experiments have been performed at an ambient temperature (19-23 °C) for a relative humidity between 35-65 %, and for the velocity range 1.0-3.0 m/s. The condensing unit behaves as a blunt-faced body and mass transfer coefficients were deduced. When increasing the flow intensity it was found that the Sherwood number had a dependence on Re2/3. An empirical relation was proposed to estimate the surface temperature. The flow behaviour within the boundary layer and the analysis of the drop growth on the flat plate surface under weakly turbulent flows has been discussed. This experimental work will be helpful to develop theoretical models for further studies with other geometries.

The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Ce travail vise à faire une pré-évaluation des paramètres de contrôle en vue de réduire la traînée sur véhicule réel. Deux mécanismes d’actionnement différents (Murata micro-blower et couteau d’air) ont été caractérisés et comparés en vue de déterminer leurs qualités ainsi que leurs limites. Les micro-blowers ont pour but d’exciter la couche limite en vue de perturber directement les structures tourbillonnaires formées dans la couche de cisaillement. Le couteau d’air étudié, à surface arrondie, pourrait être considéré comme un dispositif actif de réduction de la traînée à effet Coanda équivalent au dispositif passif de type boat-tail. Différentes stratégies de contrôle en boucles ouverte et fermée sont examinées, telles que le soufflage continu, le forçage périodique, le contrôle du mode glissant (SMC) et le contrôle par apprentissage (MLC). La SMC est un algorithme robuste en boucle fermée permettant de suivre, d’atteindre et de maintenir une consigne prédéfinie; cette approche présente l’intérêt d’avoir une capacité d’adaptation prenant en compte les perturbations extérieures inconnues. Le contrôle par apprentissage est un contrôle sans modèle qui permet de définir des lois de contrôle efficaces qualifiées et optimisées via une fonction coût/objectif spécifique au problème donné. Une solution hybride entre MLC et SMC peut également fournir un contrôle adaptatif exploitant les mécanismes d’actionnement non linéaires les plus adaptés au problème. L’ensemble de ces techniques de contrôle ont été testées sur diverses applications expérimentales allant d’une simple configuration académique de marche descendante jusqu’à des géométries présentant une structure d’écoulement représentatives de véhicules réels. Pour la configuration de marche descendante, l’objectif était de réduire expérimentalement la zone de recirculation via une rangée de micro-jets et de l’estimer par des capteurs de pression. Les contrôles d’écoulement ont été réalisés par forçage périodique ainsi que par MLC. On démontre dans ce cas que la MLC peut surpasser le contrôle par forçage périodique. Pour la configuration sur corps épais (corps d’Ahmed), l’objectif était de réduire et/ou de maintenir la traînée aérodynamique via un couteau d’air placé sur la partie supérieure du hayon arrière et évalué par le biais d’une balance aérodynamique. Le soufflage continu et le forçage périodique ont été utilisés dans ce cas comme stratégies de contrôle en boucle ouverte permettant ainsi de faire une comparaison avec les algorithmes SMC et MLC. La pré-évaluation des paramètres de contrôle a permis d’obtenir des informations importantes en vue d’une réduction de la traînée sur un véhicule réel. Dans ce cadre, les premiers essais de caractérisation sur véhicules réels ont été réalisés sur piste et un dispositif d’actionnement ainsi qu’un protocole expérimental sont également présentés en perspective à ce travail. / The present work aims to pre-evaluate flow control parameters to reduce the drag in a real vehicle. Two different actuation mechanisms (Murata’s micro-blower, and air-knives) are characterized and compared to define their advantages and limitations. Murata micro-blowers energized the boundary layer to directly perturb the vortex structures formed in the shear layer region. The air-knife has a rounded surface, adjacent to the slit exit, that could be considered as an active boat-tail (Coanda effect) for drag reduction. Different open-loop and closed-loop control strategies are examined, such as continuous blowing, periodic forcing, sliding mode control (SMC) and machine learning control (MLC). SMC is a robust closed-loop algorithm to track, reach and maintain a predefined set-point; this approach has on-line adaptivity in changing conditions. Machine learning control is a model-free control that learns an effective control law that is judged and optimized with respect to a problem-specific cost/objective function. A hybrid between MLC and SMC may provide adaptive control exploiting the best non-linear actuation mechanisms. Finally, all these parameters are brought together and tested in real experimental applications representative of the mean wake and shear-layer structures related to control of real cars. For the backward-facing step, the goal is to experimentally reduce the recirculation zone. The flow is manipulated by a row of micro-blowers and sensed by pressure sensors. Initial measurements were carried out varying the periodic forcing. MLC is used to improve performance optimizing a control law with respect to a cost function. MLC is shown to outperform periodic forcing. For the Ahmed body, the goal is to reduce the aerodynamic drag of the square-back Ahmed body. The flow is manipulated by an air-knife placed on the top trailing edge and sensed by a force balance. Continuous blowing and periodic forcing are used as open-loop strategies. SMC and MLC algorithms are applied and compared to the open-loop cases. The pre-evaluation of the flow control parameters yielded important information to reduce the drag of a car. The first real vehicle experiments were performed on a race track. The first actuator device concept and sensor mechanism are presented.

The cooling systems in a gas turbine are especially important as the turbine blades and vanes are exposed to extreme temperatures. The relatively cool air is extracted from the compressors and fed to the turbines to cool the turbine blades. The manufacturing of these blades and channels used to cool is especially complicated using conventional manufacturing techniques. Additive Manufacturing (AM) gives the designer much more freedom to design core components. The AM technique currently explored is the Selective Laser Melting process (SLM). The surface area is exposed to the cooling airflow by using lattice structures which can be manufactured at relative ease using AM. This thesis will provide some insights into using AM parts for the cooling, by analyzing the pressure drop that could be expected from superalloys that are manufactured using AM. The surface roughness is an inherent property of the AM components therefore it would be interesting to analyze a turbulent flow through AM channels (CM247LC and INCONEL 939). The thesis deals with turbulent flows as the airflow used for cooling in the gas turbine is most likely turbulent.  The friction factor (Darcy–Weisbach friction factor) is used to relate the impact of the surface roughness to the pressure drop. The results from the previous experiments are contrasted as the flow in the previous experiments was assumed to be fully developed but in reality, it was not. And the accuracy of the previous results to the actual fully developed flow will shed some light on the feasibility of the flow analysis techniques used in the previous experiments. It is found that the previous experimental results for the CM247LC TPs have good agreement with current experimental results but INCONEL 939 exhibits significant deviation. The possible reasons for the deviations are directly linked to the assumptions made to calculate the minor losses. The Test Pieces (TP) analyzed in this thesis have varying length to diameter (L/D) ratios and the impact of the variation of different L/D ratios is analyzed along with varying pressure ratios. Where the flow resistance increases with an increase in L/D and pressure ratio. The technique to accommodate the compressibility of the airflow is also explored in this thesis. Finally, reasons for the manifestation of anomalies are discussed. The probability of the compressibility effects of the airflow on the anomalies was found to be quite high, and concluding remarks are provided.

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In dieser Arbeit wird der Wärmeübergang bei der Tropfenkondensation aus feuchter, turbulent strömender Luft experimentell untersucht. Die Versuchsstrecke besteht aus einem horizontalen Kanal in den Abmessungen (12 × 32 × 750) mm . Die Kondensation findet auf einem mit Kunststoff beschichteten Wärmestromsensor statt, der in einer der vertikalen Kanalwände bündig eingelassen ist. Experimentell erfasst werden der Wärmedurchgangswiderstand der Kondensatschicht durch Anwendung eines theromografischen Verfahrens sowie der in den Sensor eindringende Wärmestrom. Messergebnisse werden für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten, Luftfeuchten und -temperaturen, sowie für variierende Temperaturen der Sensoroberfläche gewonnen. Die Messergebnisse werden mit den Vorhersagen eines aus dem Kontext der Filmkondensation entlehnten Modells verglichen. Systematische Abweichungen konnten mit der Größe der Tropfen auf der Oberfläche korreliert werden. Die ermittelten Korrelationsgleichungen werden angegeben. Die Übertragbarkeit des hier entwickelten Ansatzes auf andere Geometrien und Randbedingungen konnte durch seine Anwendung auf externe Messdaten gezeigt werden.

Flow-induced vibration caused by fully developed pipe flow has been recognized, but not fully investigated under turbulent conditions. This thesis focuses on the development of a numerical Fluid-Structure Interaction (FSI) model that will help define the relationship between pipe wall vibration and the physical characteristics of turbulent flow. Commercial FSI software packages are based on Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) fluid models, which do not compute the instantaneous fluctuations in turbulent flow. This thesis presents an FSI approach based on Large Eddy Simulation (LES) flow models, which do compute the instantaneous fluctuations in turbulent flow. The results based on the LES models indicate that these fluctuations contribute to the pipe vibration. It is shown that there is a near quadratic relationship between the standard deviation of the pressure field on the pipe wall and the flow rate. It is also shown that a strong relationship between pipe vibration and flow rate exists. This research has a direct impact on the geothermal, nuclear, and other fluid transport industries.

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