Thèse de doctorat : Mécanique. Mécanique des Fluides : Strasbourg 1 : 2008. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

En utilisant une approche principalement expérimentale, cette thèse de doctorat étudie les écoulements de déplacement miscibles flottants dans les tuyaux à rotation axiale, un sujet fondamental de la mécanique des fluides qui est également motivé par le processus de cimentation dans les constructions de puits de pétrole et de gaz. Une partie du processus de cimentation consiste à pomper un fluide lourd dans un tuyau pour éliminer/déplacer un fluide léger in situ. Nous émettons l’hypothèse qu’une rotation axiale du tuyau peut être utilisée pour améliorer le processus de déplacement, bien que sans résultats expérimentaux en laboratoire pour soutenir cette croyance. Dans ce contexte, ce travail analyse systématiquement les effets d’une rotation axiale du tuyau sur les flux de déplacement miscibles flottants en présence de la différence de densité (flottabilité), de l’angle d’inclinaison du tuyau, de la vitesse d’écoulement imposée et de la contrainte de déformation plastique du fluide déplacé. Le chapitre 1 étudie les effets de la rotation axiale du tuyau sur nos écoulements flottants en l’absence de la vitesse d’écoulement imposée (c’est-à-dire une configuration d’écoulement d’échange). Les deux fluides considérés sont iso-visqueux et newtoniens, mais ils ont une petite différence de densité. Les angles d’inclinaison des tuyaux intermédiaires sont pris en compte. Comme les deux fluides s’interpénètrent, notre objectif est de quantifier les effets de la vitesse de rotation des tuyaux sur la dynamique du front d’interpénétration, pour lesquels plusieurs corrélations empiriques sont proposées. Il s’agit notamment des corrélations pour la vitesse du front, la longueur de propagation du front et le temps de propagation du front. Les deux derniers concernent la situation où l’interpénétration des fluides s’arrête finalement lorsque la vitesse de rotation du tuyau devient importante. Le chapitre 2 étend les résultats du flux d’échange flottant du chapitre 1 à une configuration de flux de déplacement où il existe un flux imposé. Les deux fluides sont newtoniens. Un front d’attaque et un front de fuite sont observés dans le flux de déplacement. Fait intéressant, le mouvement du front arrière est fortement affecté par la vitesse de rotation. Ici, l’accent est mis sur la quantification des effets de la vitesse de rotation du tuyau sur les vitesses frontales avant et arrière. Le signe de la vitesse du front de fuite aide à classer les régimes d’écoulement en régimes d’élimination inefficaces et efficaces, pour lesquels la transition peut être justifiée en utilisant un équilibre entre l’inertie imposée, la flottabilité et les forces de rotation. iii En considérant une contrainte de déformation plastique dans le fluide déplacé, le chapitre 3 ajoute un autre paramètre à notre système d’écoulement. Ici, le déplacement d’un fluide viscoplastique (un gel de Carbopol) par un fluide newtonien dans des tuyaux à rotation axiale est étudié. Les comportements d’écoulement en termes de dynamique du front et de schémas d’écoulement sont considérés. Les effets de la rotation des tuyaux sur les vitesses frontales avant et arrière sont quantifiés. Enfin, les déplacements viscoplastiques sont comparés qualitativement et quantitativement à leurs homologues newtoniens, montrant que la contrainte de déformation plastique a un effet négligeable sur la classification du régime. / Through a mainly experimental approach, this Ph.D. thesis studies buoyant miscible displacement flows in axially rotating pipes, a fundamental fluid mechanics topic that is also motivated by the cementing process in oil and gas well constructions. A part of the cementing process involves pumping a heavy fluid into a pipe to remove/displace an in-situ light fluid. It is believed that an axial rotation of the pipe can be used to enhance the displacement process, albeit without laboratory experimental results to support this belief. In this context, this work systematically analyzes the effects of an axial rotation of the pipe on buoyant miscible displacement flows in the presence of the density difference (buoyancy), the pipe inclination angle, the imposed flow velocity and the yield stress of the displaced fluid. Chapter 1 investigates the effects of the axial rotation of the pipe on buoyant flows in the absence of the imposed flow velocity (i.e. an exchange flow configuration). The two fluids considered are iso-viscous and Newtonian, but they have a small density difference. Intermediate pipe inclination angles are considered. As the two fluids interpenetrate, our focus is to quantify the effects of the pipe rotation speed on the interpenetration front dynamics, for which several empirical correlations are proposed. These include correlations for the front velocity, the front propagation length, and the front propagation time. The two latter concern the situation where the interpenetration of the fluids eventually stops as the pipe rotation speed becomes large. Chapter 2 extends the buoyant exchange flow results of Chapter 1 to a displacement flow configuration where there exists an imposed flow. The two fluids are Newtonian. A leading front and a trailing front are observed in the displacement flow. Interestingly, the motion of the trailing front is highly affected by the rotation speed. Here, the focus is on quantifying the effects of the pipe rotation speed on the leading and trailing front velocities. The sign of the trailing front velocity helps to classify the flow regimes into inefficient and efficient removal regimes. The transition of these two regimes can be justified using a balance among imposed inertia, buoyancy and rotational forces. By considering a yield stress in the displaced fluid, Chapter 3 adds another flow parameter to our flow system. Here, the displacement of a viscoplastic fluid (i.e. a Carbopol gel) by a Newtonian fluid in axially rotating pipes is studied. The flow behaviours in terms of the front v dynamics and flow patterns are considered. The effects of the pipe rotation on the leading and trailing front velocities are quantified. Finally, the viscoplastic displacements are qualitatively and quantitatively compared against their Newtonian counterparts, showing that the yield stress has a negligible effect on the regime classification.

Dans cette thèse est étudié le problème de la propagation des énergies vibratoire et acoustique dans les tuyaux. L'étude commence par la présentation de théories des coques générales en notation tensorielle. Les théories des coques cylindriques de Flügge et de Flügge-Timoshenko sont utilisées pour décrire le comportement vibratoire de la paroi du tuyau. La théorie de Flügge-Timoshenko inclut les effets de cisaillement et d'inertie de rotation. Le fluide à l'intérieur du tuyau est supposé acoustique et son comportement est modélisé par l'équation d'ondes dans le repère cylindrique. Le couplage entre la paroi et le fluide interne est pris en compte. Les ondes élastiques qui se propagent dans la paroi du tuyau et celles acoustiques dans le fluide interne parcourent le tuyau dans le sens axial sous forme d'ondes libres, évanescentes et atténuées. L'énergie nette totale transférée dans le tuyau est constitué de la contribution vibratoire et acoustique. Chaque contribution est due à l'interaction des ondes libres d'une part et à l'interaction des ondes évanescentes d'autre part. L'effet de l'interaction des ondes atténuées n'est pas un transfert d'énergie nette mais une formation d'ondes évanescentes stationnaires. En raison du couplage entre la paroi le fluide interne, le flux total d'énergie nette peut être exprimé en termes de déplacements de la paroi. Ceci permet le développement des techniques expérimentales pour déterminer le flux total par la mesure des grandeurs vibratoires sur la paroi. Les résultats des essais réalisés en laboratoire et sur la tuyauterie d'un compresseur frigorifique sont présentés

Dans un contexte de développement durable où les impacts sur les infrastructures doivent être fréquemment évalués, des procédures efficaces de contrôle et d’intervention sont requises. Bien que les solutions de réalité augmentée mobiles (RAM) présentent un fort potentiel pour améliorer l'efficacité d'intervention sur site par les professionnels, notamment dans le cas d’infrastructures souterraines, cette technologie n’est pas encore suffisamment mature pour permettre de telles applications. Reposant sur des principes similaires à la RAM, la simulation située propose une représentation virtuelle 3D congruente avec la réalité. L’immersion y est moins importante mais les interactions avec l’environnement 3D plus nombreuses. Le présent travail de recherche porte sur la conception et le développement d’une application de simulation située. Il aborde notamment les défis relatifs à la modélisation 3D d’environnement et à l’intégration de données géospatiales dans des moteurs de jeux vidéo. / In a context of sustainable development in which impacts on infrastructure should be assessed frequently, effective procedures for monitoring and intervention are required. Although mobile augmented reality (MAR) solutions have a great potential to improve the on-site efficiency for professionals, particularly in the case of underground infrastructures, this technology is not yet mature enough to allow such applications. Based on principles similar to MAR, situated simulation offers a virtual 3D representation congruent with reality. In situated simulation, the immersion is less important, but there are more interactions possible with 3D environment. This work focuses on the design and development of a situated simulation application. It tackles the particular challenges related to 3D modeling of the environment and integration of geospatial data in video game engines.

En ingénierie sismique, il est admis que le comportement d’une structure soumise à de forts séismes soit caractérisé par des boucles d’hystérésis qui peuvent être amples ou étroites selon le type de structure impactée. La prise en compte de ce type de comportement non-linéaire dans un calcul temporel présente des difficultés liées à l’identification des paramètres, au coût numérique élevé, au risque de non-convergence. Dans ce contexte, la méthode de linéarisation équivalente, a été introduite en géotechnique dès les années 70. Elle reste peu utilisée dans le domaine des structures malgré les efforts de nombreux auteurs. Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement linéaire équivalent dans le contexte des méthodes simplifiées d'évaluation de la réponse non-linéaire d'une structure en ingénierie sismique. Nous passons en revue les critères de linéarisation adoptés par les différentes méthodes qui recherchent l’équivalence (1) du déplacement maximum ou (2) de la quantité d’énergie dissipée ou (3) de la force de rappel. Nos analyses montrent que ces trois critères ne sont pas pertinents et/ou efficaces, conduisant à des méthodes peu robustes qui conduisent dans certains cas à des résultats inexplicables. Nous montrons le rôle important, négligé par toutes les méthodes disponibles, du contenu fréquentiel respectif des signaux et du système dans la détermination de la ductilité appelée. Sur cette constatation, nous introduisons une nouvelle méthode de linéarisation équivalente basée sur la fonction de transfert. Nous utilisons cette méthode pour explorer un plan d’expérience numérique dans lequel nous calculons les caractéristiques de fréquence et d’amortissement équivalents en fonction de la ductilité appelée pour différente configurations caractérisées par (a) le rapport entre fréquence de l’oscillateur et fréquence centrale du signal excitateur, (b) la pente d’écrouissage et (c) le modèle de comportement qui varie continument de élastoplastique à endommageant. Nous proposons deux nouvelles approches du comportement linéaire équivalent. La première, visant à améliorer la procédure statique non-linéaire de l’ATC40, utilise la rigidité sécante et le déplacement maximal. Elle fait intervenir une estimation de l’amortissement différente de celle de l’ATC40. Sa pertinence est établie par le fait qu’elle permet d’évaluer avec exactitude le déplacement maximal de systèmes canoniques non-linéaires. La seconde consiste à restituer la dynamique de la réponse d'un oscillateur non-linéaire au travers de la fonction de transfert. Sa pertinence est démontrée au travers des critères d’Anderson, avec notamment un critère relatif au spectre transféré. La détermination du comportement linéaire équivalent par fonction de transfert est validée sur des structures réelles au travers des essais sur voiles en béton armé (SAFE) et sur systèmes des tuyauteries (BARC et EPRI) / In earthquake engineering, it is common that the behaviour of a structure undergoing a strong motion is characterized by wise or narrow hysteresis loops depending on the type of behaviour of the structure. Considering this non-linear behaviour in a transient calculation requires a huge need of resources in terms of calculation time and memory. In this context, the method of equivalent linearization, consisting in the evaluation of the non-linear response of the structure has been introduced by geotechnical engineers In the 1970s. Despite efforts of many authors, this method is still not used in structural field. The goal of this research is to examine the linear equivalent behaviour in the context of the simplified method of evaluating the non-linear response of a structure in earthquake engineering. We review the criteria of equivalence adopted by many methods searching for the equivalence of (1) the maximum of displacement or (2) quantity of dissipated energy or (3) the restore force. Our argumentative analyses carry out that these three criteria are not pertinent and/or efficient. This leads, in some cases, to some unexplained results. We show the important role, which is mostly neglected in existing method, of frequency content while evaluating the ductile demand. Based on this recognition, we introduce a new method of equivalent linearization based on the transfer function. We use this method in order to explore a numerical experimental plan in which we calculate the equivalent characteristics (frequency and damping) versus the ductile demand for different configuration characterized by (a) the ratio between the frequency of the oscillator and the central frequency of the input signal, (b) the hardening and (c) the behaviour which covers the elastoplastic and damaged ones. We propose two new approaches of the linear equivalent behaviour. The first one, aiming to improve the non-linear static procedure of ATC40, use the secant stiffness and the maximal displacement. This approach consists in an estimation of damping which is different to ATC40. Its pertinence is established by evaluating with accuracy the maximal displacement of the canonical non-linear systems. The second approach consists in restitution of the dynamic of the response of a non-linear oscillator by using the transfer function. The pertinence of this proposition is shown through the criteria of Anderson, especially in terms of transferred motion. In this effect, the linear equivalent behaviour based on the transfer function allows to cope the transferred motion through the non-linear oscillator without performing the non-linear transient calculation. The validation of the linear equivalent behaviour based on the transfer function has been examined on real structures through some experimental tests such as the reinforced concrete wall (SAFE) or piping systems (BARC and EPRI)