Nous proposons dans cette thèse une étude sur la stabilisation de bulles de gaz dispersées en solution aqueuse par des nanocapsules lipidiques (NCL). L’objectif est le développement d’un système de libération d’actifs pharmaceutiques provoquée par l’application d’un champ ultrasonore adéquat. Préalablement, est évaluée la potentialité des NCL à se comporter comme de vrais agents de stabilisation interfaciale air/eau. Les NCL sont capables de diminuer la tension de surface plus que le Solutol®, principal surfactif pégylé rentrant dans leur composition.La méthode d’agitation mécanique s’est révélée la mieux adaptée pour formuler des microbulles d’air stabilisées.Les microbulles générées ont une taille moyenne inférieure à 2μm avec une concentration de 2,72.1012/mL. La distribution de taille est assez homogène avec un indice de polydispersité acceptable. Le ratio d’incorporation d’air dans les bulles est de 0,17. Les microbulles sont entourées d’un film constitué principalement de Solutol® et de Lipoïd®. En dispersion aqueuse, la stabilité des bulles à température ambiante(20°C±2°C) est maintenue jusqu’à 7 jours au moins. Le fusidate sodique utilisé comme actif pharmaceutique modèle et comme traceur est encapsulé avec un taux de27-35%. Un taux de libération de 40-50% est obtenu dans des conditions normales de libération. Ce pourcentage atteint 50-55% après application d’ultrasons. / This work deals with the stabilization of gaz microbubbles dispersed in aqueous solutions by using LipidNanoCapsules (LNC). The main objective is the development of a Drug Delivery System where the release is triggered by ultrasonation. Firstly, we investigated the ability of LNC to behave as real air/water interfacial stabilization agents. It is shown that LNC can decrease the surface tension at the air/water interface more than the Solutol®, main pegylated surfactant of the LNC. Usual stirring method seems the more efficient to produce stabilized air microbubbles. Microbubbles are characterized by a mean size below 2μm and are concentrated at 2.72x1012 /mL. The size distribution ishomogeneous with a convenient polydispersity index.The gas holdup inherent to the microbubbles was estimated to 0.17. Microbubbles are surrounded by a film constituted by Solutol® and Lipoïd®. Their stability at room temperature was kept up to 7 days. Sodium Fusidate was chosen as a drug model with an encapsulation rate in a 27-35% range. The drug release upon ultrasound was between 50-55 % in comparison with 40-50 % without ultrasounds focusing.

Ce travail est consacré à la modélisation mathématique et numérique des écoulements eau-air en conduite qui interviennent notamment dans les centrales de production d’électricité ou les réseaux d’eaux usées. On s’intéresse particulièrement aux écoulements mixtes caractérisés par la présence de régimes stratifiés pilotés par des ondes gravitaires lentes, de régimes en charge ou secs (conduite remplie d’eau ou d’air) pilotés par des ondes acoustiques rapides, et de poches d’air piégées. Une modélisation précise de ces écoulements est nécessaire afin de garantir le bon fonctionnement du circuit hydraulique sous-jacent. Alors que la plupart des modèles disponibles dans la littérature se concentrent sur la phase eau en négligeant la présence de l’air, un modèle bicouche compressible prenant en compte les interactions eau-air est proposé dans cette thèse. Sa construction réside dans l’intégration des équations d’Euler barotropes sur la hauteur de chaque phase et dans l’application de la contrainte hydrostatique sur le gradient de pression de l’eau. Le modèle obtenu est hyperbolique et satisfait une inégalité d’entropie en plus d’autres propriétés mathématiques notables, telles que l’unicité des relations de saut ou la positivité des hauteurs et densités de chaque phase. Au niveau discret, la simulation d’écoulements mixtes avec le modèle bicouche compressible soulève plusieurs défis en raison de la disparité des vitesses d’ondes caractérisant chaque régime, des processus de relaxation rapide sous-jacents, et de la disparition de l’une des phases dans les régimes en charge ou sec. Une méthode à pas fractionnaires implicite-explicite est alors développée en s’appuyant sur la relaxation rapide en pression et sur le mimétisme avec les équations de Saint-Venant pour la dynamique lente de la phase eau. En particulier, une approche par relaxation permet d’obtenir une stabilisation du schéma en fonction du régime d’écoulement. Plusieurs cas tests sont traités et démontrent la capacité du modèle proposé à gérer des écoulements mixtes incluant la présence de poches d’air piégées. / The present work is dedicated to the mathematical and numerical modelling of transient air-water flows in pipes which occur in piping systems of several industrial areas such as nuclear or hydroelectric power plants or sewage pipelines. It deals more specifically with the so-called mixed flows which involve stratified regimes driven by slow gravity waves, pressurized or dry regimes (pipe full of water or air) driven by fast acoustic waves and entrapped air pockets. An accurate modelling of these flows is necessary to guarantee the operability of the related hydraulic system. While most of available models in the literature focus on the water phase neglecting the air phase, a compressible two-layer model which accounts for air-water interactions is proposed herein. The derivation process relies on a depth averaging of the isentropic Euler set of equations for both phases where the hydrostatic constraint is applied on the water pressure gradient. The resulting system is hyperbolic and satisfies an entropy inequality in addition to other significant mathematical properties, including the uniqueness of jump conditions and the positivity of heights and densities for each layer. Regarding the discrete level, the simulation of mixed flows with the compressible two-layer model raises key challenges due to the discrepancy of wave speeds characterizing each regime combined with the fast underlying relaxation processes and with phase vanishing when the flow becomes pressurized or dry. Thus, an implicit-explicit fractional step method is derived. It relies on the fast pressure relaxation in addition to a mimetic approach with the shallow water equations for the slow dynamics of the water phase. In particular, a relaxation method provides stabilization terms activated according to the flow regime. Several test cases are performed and attest the ability of the compressible two-layer model to deal with mixed flows in pipes involving air pocket entrapment.

Les protéines membranaires sont particulièrement riches en acides aminés aromatiques, tels que le tryptophane (W). On retrouve cette originalité dans beaucoup de peptides antimicrobiens et dans les protéines de fusion virales. La glycoprotéine de l'enveloppe de HIV-1, gp41, en est un exemple. Manifestement, les résidus W sont impliqués dans la perturbation des membranes et la formation des pores. L'objectif de ce travail est d'étudier le rôle des résidus W dans de telles activités en utilisant l'optique non linéaire. Pour cela, nous avons préalablement déterminé l'hyperpolarisabilité (le potentiel non linéaire) du W par la diffusion Hyper Raleigh (HRS). Puis nous avons montré une évolution de la réponse non linéaire de petits peptides synthétiques en fonction du nombre croissant de leurs résidus W. Ces résultats ont permis de suivre l'implication des tryptophanes de deux peptides K3W et gp41W, lors de leurs interactions avec des monocouches lipidiques à l'interface air-eau par la génération de second harmonique (SHG). D'autre part, l'influence de telles interactions sur la structure secondaire et l'orientation des peptides a été déterminée par le PM-IRRAS. Nous avons ainsi montré la cohérence entre les modifications du signal SHG, liées à des changements d'orientation des tryptophanes et celles des spectres de PM-IRRAS, dues à des changements d'orientation de la structure secondaire de gp41W / Membrane proteins are extremely rich in aromatic amino acids, like tryptophan (W). This particularity is found in many antimicrobial peptides and in several virus fusion proteins. An example of these fusion proteins is the HIV-1 envelop glycoprotein, the gp41. It is clear that the W residues are implicated in membrane perturbation and pore formation. The aim of this work was the investigation of the W residue role in such activities, using the nonlinear optic. First, we determined the W hyperpolarizabilité (nonlinear potential) by the Hyper Rayleigh Scattering (HRS). Then, the evolution of the nonlinear signal of small synthetic peptides, as function of the increasing number of their W residues, was demonstrated. These results allowed us to follow the W residue involvement of two peptides, K3W4 and gp41W, in the interaction with lipids monolayer at the air-water interface, using the second harmonic generation (SHG). The influence of such interaction in the peptide structure and orientation was determined using the PM-IRRAS. In conclusion, we showed the coherence between the SHG signal variation, due to the W orientation changes, and the PMIRRAS spectra modification, due to the gp41W helix orientation changes

Species must interact with air—aqueous interfaces in order to transport between either phase, however organic coated water surfaces are ubiquitous in the environment, and the physical and chemical processes that occur at organic coated aqueous surfaces are often different than those at pure air—water interfaces. Three studies were performed investigating the transport of species across air—aqueous interfaces with organic coatings in an effort to gain further insight into these processes. Gas and solution phase absorption spectroscopy were used to study the effect of octanol coatings on the formation of molecular iodine (I2) by the heterogeneous ozonation of iodide and its partitioning between phases. Compared to uncoated solutions, the presence of octanol monolayers had a minor effect on the total amount of I2 produced, however, it did significantly enhance the gas to solution partitioning of I2. Incoherent broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy (IBBC-EAS) was used to measure the gas-phase nitrogen dioxide (NO2) evolved via photolysis of aqueous nitrate solutions either uncoated or containing octanol, octanoic acid and stearic acid monolayers. Both octanol and stearic acid reduced the rate of gaseous NO2 evolution, and octanol also decreased the steady-state amount of gaseous NO2. Alternatively, octanoic acid enhanced the rate of gaseous NO2 evolution. Finally, the loss of aqueous carbon dioxide (CO2) from aqueous solutions saturated with CO2 was measured using a CO2 electrode in the absence and presence of stearic acid monolayers and octanol coatings, and a greenhouse gas analyzer was used to measure the evolution of gaseous CO2 from solutios with octanol monolayers. Enhanced losses of aqueous and evolved gaseous CO2 were observed with organic coated solutions compared to those uncoated. The results of these studies suggest that organic coatings influence the transport of I2, NO2 and CO2 via one, or a combination of: barrier effects, surface tension effects, chemistry effects and aqueous – surface – gas partitioning effects. These results, particularly the enhanced partitioning of these species to octanol coated aqueous surfaces, have important implications for species transport at air—aqueous interfaces, and may provide useful insight for future studies and parameters for atmospheric models of these species.

Species must interact with air—aqueous interfaces in order to transport between either phase, however organic coated water surfaces are ubiquitous in the environment, and the physical and chemical processes that occur at organic coated aqueous surfaces are often different than those at pure air—water interfaces. Three studies were performed investigating the transport of species across air—aqueous interfaces with organic coatings in an effort to gain further insight into these processes. Gas and solution phase absorption spectroscopy were used to study the effect of octanol coatings on the formation of molecular iodine (I2) by the heterogeneous ozonation of iodide and its partitioning between phases. Compared to uncoated solutions, the presence of octanol monolayers had a minor effect on the total amount of I2 produced, however, it did significantly enhance the gas to solution partitioning of I2. Incoherent broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy (IBBC-EAS) was used to measure the gas-phase nitrogen dioxide (NO2) evolved via photolysis of aqueous nitrate solutions either uncoated or containing octanol, octanoic acid and stearic acid monolayers. Both octanol and stearic acid reduced the rate of gaseous NO2 evolution, and octanol also decreased the steady-state amount of gaseous NO2. Alternatively, octanoic acid enhanced the rate of gaseous NO2 evolution. Finally, the loss of aqueous carbon dioxide (CO2) from aqueous solutions saturated with CO2 was measured using a CO2 electrode in the absence and presence of stearic acid monolayers and octanol coatings, and a greenhouse gas analyzer was used to measure the evolution of gaseous CO2 from solutios with octanol monolayers. Enhanced losses of aqueous and evolved gaseous CO2 were observed with organic coated solutions compared to those uncoated. The results of these studies suggest that organic coatings influence the transport of I2, NO2 and CO2 via one, or a combination of: barrier effects, surface tension effects, chemistry effects and aqueous – surface – gas partitioning effects. These results, particularly the enhanced partitioning of these species to octanol coated aqueous surfaces, have important implications for species transport at air—aqueous interfaces, and may provide useful insight for future studies and parameters for atmospheric models of these species.

Les sources d’émissions de polluants organiques persistants (POP) dans l’atmosphère sont relativement bien connues. Une fois dans ce compartiment sous formes gazeuse et/ou particulaire, ces composés sont transportés à plus ou moins longue distance puis éliminés en fonction des conditions météorologiques par dépôts secs (aérosols) ou humides (pluie et neige). L’impact des POP est planétaire, tous les milieux de l’environnement sont touchés et les milieux aquatiques de montagne ne sont pas épargnés. Plusieurs études ont rapportées la présence de Polychlorobiphényles (PCB) et d’Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sur des lacs d’altitude européens où l’atmosphère est l’unique source de pollution. A ce jour, très peu d’études ont été menées en milieux de montagne pour comprendre et identifier les mécanismes de transfert à l’interface entre l’air et l’eau. Ces travaux de thèse sont ainsi focalisés sur les échanges de POP à l’interface air-eau en milieu aquatique de montagne. Dans le but de définir le rôle de l’atmosphère sur ces milieux et de calculer des flux de POP, deux systèmes hydriques distincts ont été étudiés : un lac d’altitude (Lac de la Muzelle, Oisans) et une rivière alpine (Arc, vallée de la Maurienne). Deux familles de POP ont été ciblées pour leurs différentes propriétés physico-chimiques : les HAP et les PCB. Pour l’étude de ces milieux de montagne parfois difficile d’accès, une stratégie d’échantillonnage passive a été choisie. Les systèmes d’échantillonnage employé ont été améliorés, développés au laboratoire ou utilisés tel quel pour échantillonner distinctement toutes les formes de POP dans l’air (gaz, particules, dépôts secs et humides) et dans l’eau (phase dissoute et particulaire). Une comparaison des systèmes d’échantillonneurs atmosphériques passifs a été réalisée pour définir le plus fiable et représentatif. Ces études de transferts air-eau ont été conduites sur le lac d’altitude pendant deux périodes estivales (2014 et 2015) et un suivi de deux ans a été réalisé (2014 à 2016) sur la rivière alpine.Le rôle de l’atmosphère en période estivale a pu être ainsi défini sur le lac d’altitude et des flux d’échanges de polluants à l’interface ont pu être calculés. La rivière alpine étant un système hydrique dynamique plus complexe pour l’étude des transferts air-eau et la quantification de flux, un suivi spatio-temporel de la contamination a tout d’abord été réalisé le long de la rivière et une première approche de calcul de flux de polluants à l’interface a été appliquée. / Atmospheric sources of persistent organic pollutants (POPs) are relatively well known. Once in this compartment under both gas and particulate forms, these compounds are carried on more or less long range. Then, pollutants are eliminated by dry (aerosol) or wet (rain, snow) depositions according to meteorological conditions. The global planetary distribution of POPs affects all environments and mountain aquatic environments are not spared. Several studies on European high altitude mountain lakes have reported the presence of Polychlorinated Biphenyls (PCBs) and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). In these remote areas, the atmospheric compartment is the unique source of pollution. Few studies were conducted in order to understand and identify transfer mechanisms at the air-water interface in mountain. So, this thesis focused on POP exchanges at the air-water interface. In order to characterize atmospheric influence on aquatic compartment and calculate pollutant fluxes, two separate water systems were studied: a high altitude lake (Muzelle lake, Oisans) and an alpine river (Arc, Maurienne valley). Two POP families were targeted for their different physicochemical properties: PAHs and PCBs.In these mountain environments with limited access and energy, passive sampling strategy was chosen. Samplers were improved, developed in the lab or used to distinctly collect all POP forms in the air (gas, particulate, dry and wet depositions) and water (dissolved, particulate). A comparison of different atmospheric passive samplers was conducted to define the most reliable and representative. The air-water transfer studies were realized on the high altitude lake over two summer periods (2014 and 2015) and over a two years monitoring (2014 to 2016) in the alpine river. So, the atmospheric role on the alpine lake in summer was defined and air-water flux exchanges were calculated. As the alpine river is a more complex water system for the air-water transfers study and quantification, in a first time a space-time contamination monitoring was conducted along the river and a first approach was applied to calculate pollutant fluxes at the interface.

La compréhension du transport et du dépôt bio-colloïdal dans un milieu poreux présente un grand intérêt dans les applications environnementales, en particulier pour le contrôle de la bio-remédiation des sols et la protection des ressources en eau souterraine. Afin de mieux évaluer et prévenir les risques de contamination de la nappe phréatique et de proposer des solutions adéquates de remédiation, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension des mécanismes qui contrôlent le transport et le dépôt des bactéries dans les milieux poreux saturés et non saturés. L’objectif des ces travaux de thèse est d’étudier le rôle de l’hétérogénéité physique du milieu poreux (distribution granulométrique, porosité…) et de l’hydrodynamique du milieu sur les mécanismes de transport et de dépôt de particules bio-colloïdales, tout en prenant en compte l’impact des propriétés de cellules bactériennes sur ces mécanismes. Des expériences de traçage et d’injection de suspensions bactériennes ont été menées à l’échelle de colonnes de laboratoire dans trois milieux poreux avec une porosité et une distribution de taille de pore distincte. Afin de caractériser l’écoulement dans les milieux poreux, un soluté non-réactif a été utilisé comme traceur de l’eau. Trois souches bactériennes ont été utilisées pour préparer les suspensions bactériennes : une bactérie mobile (Escherichia coli), et deux non mobiles (Klebsiella sp. et R. rhodochrous). La caractérisation des propriétés cellulaires (telles que la taille et la forme des cellules, le potentiel zêta, la motilité et l'hydrophobicité) a été effectuée pour chaque souche. Des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul HYDRUS-1D afin de modéliser l’écoulement et d’estimer les paramètres de transport et de dépôt des bactéries. Ces derniers ont été explorés afin d'identifier le mode de transport bactérien et les mécanismes physico-chimiques ou physiques impliqués dans le dépôt des bactéries. Des expériences supplémentaires à l'échelle des pores ont été réalisées à l'aide de dispositifs microfluidiques conçus à cet effet. Un calcul théorique des différentes interactions entre les bactéries et le milieu poreux aux interfaces air/eau/solide a été effectué pour compléter les résultats expérimentaux ainsi que ceux issus de la modélisation numérique. Ainsi, les énergies d’interactions telles que les forces de van der Waals, électrostatiques de double couche, hydrophobes, stériques, capillaires et hydrodynamiques, impliquées dans le dépôt de bactéries ont été calculées pour décrire les interactions bactéries-interfaces afin d'identifier leur impact relatif sur le dépôt physico-chimique et physique des bactéries. Les résultats expérimentaux et la modélisation numérique ont mis en évidence un écoulement non uniforme, dépendant de la taille des grains ainsi que de la distribution de la taille des pores du milieu poreux. Pour un milieu poreux donné, l’écoulement devient plus dispersif quand la teneur en eau du milieu diminue. Ceci est dû à l’augmentation de la tortuosité du milieu, du fait de la présence de l’air dans les pores. Le transport des bactéries diffère de celui du traceur de l’eau. Le dépôt bactérien a été fortement influencé par la géométrie du réseau poral du milieu, les propriétés cellulaires et le degré de saturation en eau. Le piégeage physique et physico-chimique sont des mécanismes qui doivent être pris en compte pour bien décrire le dépôt bactérien, mais leur importance sur les mécanismes de dépôt est étroitement liée aux propriétés du milieu poreux et des cellules. Ces travaux mettent en évidence l’effet simultané des propriétés cellulaires, des propriétés physiques (granulométrie et distribution de taille de pores) et de l'hydrodynamique du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt bactérien. Le calcul des différentes énergies d’interaction a permis d’identifier leur importance sur les mécanismes de dépôt bactérien. / The investigation of the transport and retention of bacteria in porous media has a great practical importance in environmental applications, such as protection of the surface and groundwater supplies from contamination, risk assessment from microorganisms in groundwater, and soil bioremediation. The aim of this study is to gain a fundamental understanding of the mechanisms that control bacteria transport and deposition in saturated and unsaturated porous media. Laboratory tracer and bacteria transport experiments at Darcy scale were performed in three porous media with distinct pore size distribution in order to investigate and quantify water and bacteria transport process under steady state flow conditions. A conservative solute was used as water tracer to characterize water flow pathways through porous media. A gram negative, motile Escherichia coli, a gram negative, non-motile Klebsiella sp. and a gram positive, non-motile R. rhodochrous were selected for the transport experiments. Characterization of cell properties (such as cell size and shape, zeta potential, motility and hydrophobicity) was performed for each strain. Numerical simulations with HYDRUS-1D code were performed to characterize water flow and to estimate bacteria transport and deposition parameters. The later were explored to identify bacteria flow patterns and physicochemical or physical mechanisms involved in bacteria deposition. To provide a better understanding of the mechanisms involved on bacteria transport and deposition, pore scale experiments were carried out by using microfluidic devices, designed for this purpose. The information obtained from laboratory experiments and numerical modeling was improved by theoretical calculation of different interactions between bacteria and porous media at air/water/solid interfaces. DLVO and non-DLVO interactions such as hydrophobic, steric, capillary and hydrodynamic forces involved in bacteria deposition were considered to describe bacteria-interface interactions in order to identify their relative impact on physicochemical and physical deposition of bacteria. Results obtained through both laboratory experiments and numerical simulationsoutlined non-uniform flow pathways, which were dependent on both grain/pore size as well as pore size distribution of the porous media. For a given porous medium, water flow patterns became more non-uniform and dispersive with decreasing water saturation due to the presence of air phase, which lead to an increase of the tortuosity of the flow pathways under unsaturated conditions. Bacteria transport pathways were different from the tracer transport, due to size exclusion of bacteria from smaller pore spaces and bacteria motility. Bacteria deposition was greatly influenced by pore network geometry, cell properties and water saturation degree. Both physical straining and physicochemical attachment should be taken into account to well describe bacteria deposition, but their importance on bacteria deposition is closely linked to porous media and cell properties. The results obtained in this work highlighted the simultaneous role of cell properties, pore size distribution and hydrodynamics of the porous media on bacteria transport and deposition mechanisms. The calculation of DLVO and non-DLVO interactions showed that bacteria deposition in saturated and unsaturated porous media was influenced by both kinds of interactions.

The new legal regulations derived from climate change dictate that hydraulic structures must be designed to handle flood events associated with return periods up to 10,000 years. This obviously involves adapting the existing infrastructure to meet such requirements. In order to avoid risks in the restitution of the flow discharged to rivers, such as bank overflows or streambed erosion and scour processes, hydraulic design must be supported by reliable tools capable of reproducing the behavior of hydraulic structures. In the work presented herein, a fully three-dimensional CFD model to reproduce the behavior of different types of air-water flow in hydraulic structures is presented. The flow is assumed to be turbulent, isotropic and incompressible. Several RANS turbulence models are tested and structured rectangular meshes are employed to discretize the analyzed domain. The presence of two fluids is modeled using different VOF approaches and simulations are run using the PIMPLE algorithm. The model is implemented using the open-source platform OpenFOAM and its performance is compared to the commercial code FLOW-3D. The analysis is conducted separately on two different parts of hydraulic structures, namely: the spillway and the stilling basin. Additionally, a case of practical application, where the model reproduces the flow of a real-life case, is also presented in order to prove the suitability of the model to actual design cases. Mesh independence and model validation using experimental data are checked in the results of all the case studies. The sensitivity of the presented model to certain parameters is extensively discussed using different indicator variables. Among these parameters are turbulence closure, discretization scheme, surface tracking approach, CFD code or boundary conditions. Pros and contras of each of them are addressed. The analyzed turbulence models are the Standard k ¿ ¿, the Realizable k ¿ ¿, the RNG k ¿ ¿, and the SST k ¿ ¿. The discretization schemes under study are: a first-order upwind method, the second-order limited Van Leer method, and a second-order limited central difference method. The VOF approaches analyzed are the Partial VOF, as implemented in OpenFOAM, and the TruVOF, as implemented in FLOW-3D. In most cases, the Standard k ¿ ¿ model provides the most accurate estimations of water free surface profiles, although the rest of variables, with few exceptions, are better predicted by the RNG k ¿ ¿. The latter model generally requires slightly longer computation times. The SST k ¿ ¿ reproduces correctly the phenomena under study, although it generally turned out to be less accurate than its k ¿ ¿ counterparts. As regards the comparison among VOF approaches and codes, it is impossible to determine which one performs best. E.g. OpenFOAM, using the Partial VOF, managed to reproduce the in- ternal hydraulic jump structure and all derived variables better than FLOW-3D, using the TruVOF, although the latter seems to capture better the momentum transfer and so all derived variables. In the case of flow in stepped spillways, OpenFOAM captures better the velocity profiles, although FLOW-3D is more accurate when estimating the water free surface profile. It is worth remark- ing that not even their response to certain model parameters is comparable. E.g. FLOW-3D is significantly less sensitive to mesh refinement than OpenFOAM. Given the result accuracy achieved in all cases, the proposed model is fully applicable to more complex design cases, where stilling basins, stepped spillways and hydraulic structures in general must be investigated. / Las nuevas disposiciones legales derivadas del cambio climático dictaminan que las estructuras hidráulicas sean capaces de funcionar correctamente con eventos de inundación asociados a periodos de retorno de hasta 10,000 años. Esto, obviamente, implica adaptar la infraestructura existente para satisfacer dichos requerimientos. A fin de evitar riesgos en la restitución de los caudales vertidos al río, como desbordamientos o procesos erosivos y de socavación, el diseño hidráulico ha de sustentarse en herramientas fiables capaces de reproducir el comportamiento de las estructuras hidráulicas. En este trabajo, se presenta un modelo numérico CFD completamente tridimensional para reproducir el comportamiento de diferentes tipos de flujo aire-agua en estructuras hidráulicas. Se asume que el flujo es turbulento, isotrópico e incompresible. Diversos modelos de turbulencia RANS son contrastados y se emplean mallas estructuradas rectanuglares para discretizar el dominio analizado. La presencia de dos fluidos es modelada utilizando diferentes enfoques VOF y las simulaciones son ejecutadas empleando el algoritmo PIMPLE. El modelo es implementado mediante la plataforma de código abierto OpenFOAM y su respuesta es comparada con la del modelo comercial FLOW-3D. El análisis se lleva a cabo sobre dos partes diferentes de una estructura hidráulica, a saber, el aliviadero y el cuenco amortiguador, de forma separada. Además, un caso de aplicación práctica, donde el modelo reproduce el flujo en una estructura real, es presentado también a fin de probar la adecuación del modelo a casos de diseño aplicado. Se comprueban la independencia de la malla y la validación con datos experimentales de los resultados de todos los casos de estudio. La sensibilidad del modelo presentado a ciertos parámetros es analizada de forma exhaustiva empleando diferentes variables indicadoras. Los pros y contras de cada uno de éstos son planteados. Los modelos de turbulencia analizados son el Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon y el SST k-omega. Los esquemas de discretización estudiados son: un método de primer orden upwind, uno de Van Leer de segundo orden y un esquema de segundo orden limitado de diferencias centradas. Los enfoques VOF analizados son el Partial VOF, implementado en OpenFOAM, y el TruVOF, implementado en FLOW-3D. En la mayoría de casos, el modelo k-epsilon aporta las estimaciones más precisas de perfiles de lámina libre de agua, pese a que el resto de variables, con alguna excepción, son mejor predichas por el RNG k-epsilon. Este modelo generalmente requiere mayores tiempos de cálculo. El k-omega reproduce correctamente los fenómenos bajo estudio, pese a que su precisión es generalmente más baja que la de los modelos k-epsilon. En lo que respecta a la comparación entre enfoques VOF y códigos, es imposible determinar cuál es el mejor. Por ejemplo, OpenFOAM, empleando el Partial VOF, logra reproducir la estructura interna del resalto hidráulico y todas las variables derivadas mejor que FLOW-3D, empleando el TruVOF, a pesar de que este último parece capturar mejor la transferencia de cantidad de movimiento y, por tanto, todas las variables derivadas. En el caso del flujo en aliviaderos escalonados, OpenFOAM captura mejor los perfiles de velocidad, pese a que FLOW-3D es más preciso en la estimación de los perfiles de lámina libre de agua. Conviene recalcar que ni tan sólo su respuesta a ciertos parámetros del modelo es comparable. Por ejemplo, FLOW-3D es significativamente menos sensible al refinado de malla que OpenFOAM. A la luz de la precisión de los resultados obtenidos en todos los casos, el modelo propuesto es completamente aplicable a casos de diseño más complejos, donde cuencos amortiguadores, aliviaderos escalonados y estructuras hidráulicas en general han de ser investigadas. / Les noves disposicions legals derivades del canvi climàtic dictaminen que cal que les estructures hidràuliques siguen capaces de funcionar correctament amb esdeveniments d'inundació associats a períodes de retorn de fins a 10,000 anys. Això, òbviament, implica adaptar la infraestrctura existent per satisfer aquests requeriments. A fi d'evitar riscs en la restitució dels cabals vessats al riu, com desbordaments o processos erosius i de socavació, el disseny hidràulic ha de recolzar-se en ferramentes fiables capaces de reproduir el comportament de les estructures hidràuliques. En aquest treball, es prsenta un model numèric CFD completament tridimensional per a reproduir el comportament de diferents tipus de flux aire-aigua en estructures hidràuliques. S'assumeix que el flux és turbulent, isotròpic i incompressible. Diferents models de turbulència RANS són contrastats i s'empren malles estructurades rectangulars per discretitzar el domini analitzat. La presència de dos fluids és modelada utilitzant diferents enfocaments VOF i les simulacions són executades emprant l'algorisme PIMPLE. El model és implementat mitjançant la plataforma de codi obert OpenFOAM i la seua resposta és comparada amb la del codi comercial FLOW-3D. L'anàlisi es du a terme sobre les diferents parts d'una estructura hidràulica, a saber, sobreeixidors esgraonats i vas esmorteïdor, de forma separada. A més, un cas d'aplicació pràctica, on el model reprodueix el flux a una estructura real, és presentat també a fi de provar l'adequació del model a casos de disseny aplicat. Es comproven la independència de la malla i la validació amb dades experimentals dels resultats de tots els casos d'estudi. La sensibilitat del model presentat a certs paràmetres és analitzada de forma exhaustiva emprant diferents variables indicadores. Els pros i contres de cadascun d'aquests són plantejats. Els models de turbulència analitzats són l'Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon i l'SST k-omega. Els esquemes de discretització estudiats són: un mètode de primer ordre upwind, un de Van Leer de segon ordre i un esquema de segon ordre limitat de diferències centrades. Els enfocaments VOF analitzats són el Partial VOF, implementat en OpenFOAM, i el TruVOF, implementat en FLOW-3D. En la majoria de casos, el model Standard k-epsilon aporta les estimacions més precises de perfils de làmina lliure d'aigua, tot i que la resta de variables, amb alguna excepció, són millor predites pel RNG k-epsilon. Aquest model generalment requereix majors temps de càlcul. El k-omega reprodueix correctament els fenòmens sota estudi, tot i que la seua precisió és generalment més baixa que la dels models k-epsilon. Pel que fa la comparació entre enfocaments VOF i codis, és impossible determinar quin és el millor. Per exemple, OpenFOAM, emprant el Partial VOF, aconsegueix reproduir l'estructura interna del ressalt hidràulic i totes les variables derivades millor que FLOW-3D, emprant el TruVOF, tot i que aquest últim pareix capturar millor la transferència de quantitat de moviment i, per tant, totes les variables derivades. En el cas del flux en sobreeixidors esgraonats, OpenFOAM captura millor els perfils de velocitat, tot i que FLOW-3D és més precís en estimar els perfils de làmina lliure d'aigua. Cal deixar palès que ni tan sols la seua resposta a certs paràmetres del model és comparable. Per exemple, FLOW-3D és significativament menys sensible al refinament de malla que OpenFOAM. En base a la precisió dels resultats obtinguts en tots els casos, el model proposat és completament aplicable a casos de disseny més complexos, on vassos esmorteïdors, sobreeixidors esgraonats i estructures hidràuliques en general han de ser investigades. / Bayón Barrachina, A. (2017). Numerical analysis of air-water flows in hydraulic structures using computational fluid dynamics (CFD) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90440 / TESIS

No description available.

This master´s thesis addresses heating of the new three - storey office building, which is located in Brno Pisárky. The heating system is designed as a low-temperature system with forced circulation of water using mostly panel radiators. As the heat source was designed two variants. The first heat source is the heat pump air - water, which is installationed inside. The second heat source is a gas condensing boiler. The part of design is preparation hot water. Ventilation of the building is equal-forced. Experimental part of master´s thesis is focused on measuring the amount of electricity produced per year by photovoltaic panels on the existing house in Brno Pisárky. Thesis also includes measuring outdoor temperature and intensity of solar radiation. The result is a comparison of the need for electricity for the heat pump for heating family house, total electricity consumption family house and amount of electricity produced by photovoltaic panels.