Cette thèse porte sur les effets combinés de l’excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l’écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l’écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d’instabilité. L’écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l’étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l’excentricité repousse le seuil d’instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L’effet de l’advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L’excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor « pseudo-toroïdaux » lorsque le débit axial est nul, et de structures « pseudo-hélicoïdales » d’ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l’on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l’instabilité absolue est étudiée par application d’un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d’inhiber fortement l’instabilité absolue, d’origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d’un ordre de grandeur. L’effet de l’excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l’instabilité convective, le mode dominant l’instabilité absolue correspond à l’écoulement tourbillonnaire « pseudo-toroïdal » pour toute la gamme de paramètres considérée. / This work is concerned with the combined effects of eccentricity and pressure-driven axial flow on the linear stability properties of circular Couette flow with a fixed outer cylinder. An example of this flow can be found in oil-well drilling operations. A pseudospectral method is implemented to compute the basic flow, steady and homogeneous in the axial direction, as well as the normal modes of instability. There are four non-dimensional parameters: the radius ratio _ and the eccentricity e for the geometry, the azimuthal and axial Reynolds numbers, Re and Rez, for the dynamics. The first part of the study is devoted to the temporal stability properties. It is found that eccentricity pushes the convective instability threshold towards higher values of Re. The effect of axial advection on the threshold also tends to be stabilising. Eccentricity deforms the modes structure compared to the concentric case. As a result, the mode with the largest temporal growth rate takes the form of ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortices in the absence of axial flow, and ‘pseudo-helical’ structures with increasing azimuthal order as Rez becomes larger. Results are qualitatively similar for different radius ratios. Agreement with the few available experimental data is good. In a second part, absolute instability is studied by applying the pinch-point criterion to the dispersion relation. Axial flow is found to strongly inhibit absolute instability, the mechanism of which being centrifugal, and the value of Re at the threshold is typically one order of magnitude larger than that of Rez. The effect of eccentricity is more complex: weak stabilisation for low values of e, marked destabilisation for moderate eccentricities and high enough Rez, and finally stabilisation as e is further increased. Unlike temporal instability, the dominant absolutely unstable mode is the ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortex flow over the whole range of parameter space considered.

La présente étude vise à comprendre les écoulements ainsi que les transferts de chaleur par convection dans une configuration représentative d’un moteur de traction automobile. La zone d’étude est constituée d’un stator extérieur lisse et fixe et d’un rotor intérieur tournant. Deux géométries de rotor ont été étudiées : un rotor cylindrique et un rotor encoché. Un écoulement axial est superposé à l’écoulement produit par la rotation. Pour le rotor lisse, des mesures ont été réalisées pour des valeurs du nombre de Reynolds axial de 2500 à 13900 et de rotation de 1250 à 4000. Pour le rotor encoché, le nombre de Reynolds axial varie également de 2500 à 13900 et le nombre de Reynolds de rotation de 5000 à 26000. Les mesures de vitesse réalisées par PIV au sein des encoches montrent un écoulement tourbillonnaire contrarotatif complexe. Dans la zone d’entrée, on peut noter une forte interaction entre l’écoulement des encoches et celui provenant des zones polaires. Les résultats thermiques obtenues par thermographie infrarouge sur le rotor encoché montrent que les transferts thermiques augmentent avec l’augmentation du nombre de Reynolds axial mais l’influence de la vitesse de rotation est plus complexe. Enfin, la comparaison des résultats thermiques entre rotors lisse et encoché, a permis de mieux comprendre l’effet des encoches sur le refroidissement global. / The present work aimed to experimentally study the flow and heat transfer in a configuration corresponding to the gap of an automotive electrical motor (a thin airlayer between the rotating (rotor) and stationary (stator) parts.) Two rotor geometries are studied: one cylindrical and the other one with four slots which reproduce a synchronous motor used in automotive traction. An axial flow is superimposed to the rotation flow thanks to a ventilation system. The two most important parameters are axial Reynolds number and rotational Reynolds number. Velocity measurements are performed by PIV and heat transfer by infrared thermography coupled with heated thin foils. A complex counter rotational vortex flow has been recorded in the slots. Moreover, this slot flow seems to interact with the pole flow in the inlet region. This interaction seems to disappear rapidly after entrance area. Heat transfer rate is 3D, with great differences between the two slots faces and the pole. Classically, heat transfer rate grows with increasing axial Reynolds number. The relation between heat transfer rate and rotation Reynolds number is more complex

Ce travail de thèse part d’un constat : d’importantes pertes thermiques sont observées lors de l’élaboration des matériaux du génie civil. Motivés par l’ajout d’une double enveloppe, les travaux contenus dans ce manuscrit visent à caractériser un échangeur de chaleur appliqué en paroi des fours rotatifs. Tout d’abord, un modèle intégré est développé, puis validé sur une centrale d’enrobage dont la paroi intérieure du four est munie de releveurs nécessaires au mélange des matériaux. Leur distribution dans la section transversale est estimée à partir d’une loi de déchargement granulaire. Les expérimentations numériques montrent que les transferts Gaz / Solide et Solide / Paroi dominent, ce dernier phénomène limitant les performances globales du procédé. L’ajout de l’échangeur sur paroi mobile est quant à lui exploré sur un banc d’essai instrumenté de type rotor-stator, avec entrée tangentielle. Développant un écoulement de type Taylor-Couette-Poiseuille, les transferts thermiques pariétaux sont caractérisés expérimentalement. Les résultats sont sans équivoque dans la gamme de nombres de Reynolds imposés : la contribution du mouvement axial surpasse le mouvement rotationnel turbulent. Une corrélation adimensionnelle basée sur le nombre de Nusselt est proposée afin d’estimer numériquement l’effet de l’échangeur sur les profils de température internes dans le four. Enfin, les structures tourbillonnaires de l’écoulement dans l’espace annulaire sont étudiées à partir d’un code de mécanique des fluides numériques utilisant la Simulation aux Grandes Echelles. Les simulations permettent de décrire les cellules contrarotatives au sein de la couche limite turbulente dont l’amplitude et la fréquence de passages sont reliées aux paramètres de fonctionnement de l’échangeur (débit axial et vitesse de rotation du four). / This work results on a finding: the heat loss from rotary kiln represents a significant energy amount during materials processing in civil engineering domain. Motivated by traditional energy recovery methods from heat exchanger, this thesis is aimed at providing their rigorous thermodynamic diagnostics. Firstly, a thermal-granular model is developed, and then validated in asphalt plant whose the rotary kiln is composed of flights to ensure the materials mixing. Their cross-section distribution is calculated from a granular discharge law. The numerical experiments showed an increase of heat transfer phenomena between gases and solids, and those between the solids and the wall, this latter phenomenon limiting the process performances. Heat recovery exchanger applied to the rotary kiln is studied from a semi-industrial pilot based on a rotor stator configuration including a tangential inlet. Developing a Taylor-Couette-Poiseuille flow, the heat transfer results are undoubted in the range of the studied Reynolds numbers: the axial motion contribution is larger than the rotational turbulent motion. A dimension less criterion is proposed in order to be applied to the aforementioned integrated model including the heat exchanger applied to the rotary kiln, its effect being assessed upon the internal thermalprofiles. Finally, the vortices flow structure within the annular gap exchanger is studied from Large Eddy simulation. The amplitude and frequency passage of the contrarotatives cells located in the turbulent boundary layer are connected to the process parameters (the axial flowrate and the kiln shell rotation).

Cette thèse porte sur les effets combinés de l'excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l'écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l'écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d'instabilité. L'écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l'excentricité repousse le seuil d'instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L'effet de l'advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L'excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor " pseudo-toroïdaux " lorsque le débit axial est nul, et de structures " pseudo-hélicoïdales " d'ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l'on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l'instabilité absolue est étudiée par application d'un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d'inhiber fortement l'instabilité absolue, d'origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d'un ordre de grandeur. L'effet de l'excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l'instabilité convective, le mode dominant l'instabilité absolue correspond à l'écoulement tourbillonnaire " pseudo-toroïdal " pour toute la gamme de paramètres considérée.

EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes. / EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.