New methodologies and concepts for developing compact and energy efficient automotive exhaust systems have been studied. This originates in the growing concern for global warming, to which road transportation is a major contributor. The focus has been on commercial vehicles—most often powered by diesel engines—for which the emission legislation has been dramatically increased over the last decade. The emissions of particulates and nitrogen oxides have been successfully reduced by the introduction of filters and catalytic converters, but the fuel consumption, which basically determines the emissions of carbon dioxides, has not been improved accordingly. The potential reduction of fuel consumption by optimising the exhaust after-treatment system (assuming fixed after-treatment components) of a typical heavy-duty commercial vehicle is ~4%, which would have a significant impact on both the environment and the overall economy of the vehicle. First, methodologies to efficiently model complex flow duct networks such as exhaust systems are investigated. The well-established linear multiport approach is extended to include flow-acoustic interaction effects. This introduces an effective way of quantifying amplification and attenuation of incident sound, and, perhaps more importantly, the possibility of predicting nonlinear phenomena such as self-sustained oscillations—whistling—using linear models. The methodology is demonstrated on T-junctions, which is a configuration well known to be prone to self-sustained oscillations for grazing flow past the side branch orifice. It is shown, and validated experimentally, that the existence and frequency of self-sustained oscillations can be predicted using linear theory. Further, the aeroacoustics of T-junctions are studied. A test rig for the full determination of the scattering matrix defining the linear three-port representing the T-junction is developed, allowing for any combination of grazing-bias flow. It is shown that the constructive flow-acoustic coupling not only varies with the flow configuration but also with the incidence of the acoustic disturbance. Configurations where flow from the side branch joins the grazing flow are still prone to whistling, while flow bleeding off from the main branch effectively cancels any constructive flow-acoustic coupling. Two silencer concepts are evaluated: first the classic Herschel-Quincke tube and second a novel modified flow reversal silencer. The Herschel-Quincke tube is capable of providing effective attenuation with very low pressure loss penalty. The attenuation conditions are derived and their sensitivity to mean flow explained. Two implementations have been modelled using the multiport methodology and then validated experimentally. The first configuration, where the nodal points are composed of T-junctions, proves to be an example where internal reflections in the system can provide sufficient feedback for self-sustained oscillation. Again, this is predicted accurately by the linear theory. The second implementation, with nodal points made from Y-junctions, was designed to allow for equal flow distribution between the two parallel ducts, thus allowing for the demonstration of the passive properties of the system. Experimental results presented for these two configurations correlate well with the derived theory. The second silencer concept studied consists of a flow reversal chamber that is converted to a resonator by acoustically short-circuiting the inlet and outlet ducts. The eigenfrequency of the resonator is easily shifted by varying the geometry of the short circuit, thus making the proposed concept ideal for implementation as a semi-active device. Again the concept is modelled using the multiport approach and validated experimentally. It is shown to provide significant attenuation over a wide frequency range with a very compact design, while adding little or no pressure loss to the system. / QC 20110208

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les deformations de microcapsules dans un écoulement confiné. Les microcapsules sont composées d’albumine du sérum humain avec des concentrations de 5 à 20 [g/100mL]. Leur taille varie de 50 à 1000 [μm]. Les capsules sont injectées dans des écoulements de Poiseuille produits dans des canaux microfluidiques présentant deux sections différentes : circulaire ou carrée.La mesure des caractéristiques géométriques de microcapsules déformées couplée à des simulations numériques mène à la détermination du module de cisaillement surfacique. Cette caractéristique mécanique augmente fortement tant avec la taille qu’avec la concentration en protéine de la capsule, et plus précisément avec le produit de ces deux paramètres.Le fluide est ensemencé avec des microparticules pour mesurer l’écoulement induit par une capsule dans un capillaire cylindrique par la méthode de la vélocimétrie par suivi de particules. Les zones de recirculation et de perturbation sont alors déduites et comparées avec la simulation numérique d’un objet rigide dans un capillaire et présentant le profil donné par les expériences. Finalement un système original de visualisation optique est consacré à l’observation simultanée de la vue de côté et de la vue de face des capsules pour obtenir sa forme entière. Ceux-ci révèlent l’existence des plis tout autour de la membrane des capsules. Le seuil de formation et l’évolution de ces plis sont étudiés en fonction de la vitesse, de la taille et du confinement, dans des canaux de section circulaire ou carrée. / The objective of this thesis is to study experimentally microcapsule deformations in confined flows. The microcapsules are made of cross-linked proteins, the human serum albumin (HSA) with concentrations from 5 to 20 [g/100mL]. Their size vary from 50 to 1000 [μm]. Capsules are injected in Poiseuille flows generated within microfluidics channels with two different cross sections geometries : circular or square.The measurement of geometrical characteristics of deformed microcapsules coupled with numerical simulations leads to the determination of the surface shear modulus. This mechanical characteristic increases strongly with both the size and the protein concentration of the capsule, and more precisely with the product of these two parameters.The flow is seeded with microparticles to measure the induced flow of a capsule in a cylindrical capillary by particle tracking velocimetry. The recirculation and perturbation zones are then deduced and compared with numerical simulation of a rigid body flowing in a capillary. Finally an original system of optical visualization is dedicated to the simultaneous observation of the side and the front view of the capsules to get its whole shape. These reveal radial wrinkles all around capsules membrane. The formation threshold and the evolution of these wrinkles are studied as function of the capsule velocity and size and the confinement within capillaries with circular or square cross–section.

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. / In this thesis we develop a new smoothed particle hydrodynamics (SPH) method suitable for solving the incompressible Navier-Stokes equations, even with singular forces. Singular source terms are handled in a manner similar to that in the immersed boundary (IB) method of Peskin (2002) or in the method of regularized Stokeslets (Cortez, 2001). The numerical scheme implements a second-order pressure-free projection method due to Kim and Moin (1985) and completely obviates the difficulties that may be faced in prescribing Neumann pressure boundary conditions. We present two variants of this approach, one Langrangian which is commonly used and one Eulerian, simply because we consider that the SPH particles are quadrature points on which the fluid properties are calculated, therefore, these points can be kept fixed in time. The proposed SPH method is first tested on the planar start-up Poiseuille problem and a detailed error analysis is performed. For this problem, the results are similar whether the SPH particles are free to move or fixed on a regular grid. Our hybrid SPH-IB method is then used to calculate the dynamics of a stretched immersed elastic membrane. The membrane is represented by a cubic spline along which the tension in the membrane is computed and transmitted to the surrounding fluid. The Navier-Stokes equations with singular force due to the membrane are then solved to determine the velocity of the fluid in which the membrane is immersed. The fluid velocity thus obtained is interpolated on the interface, to determine its displacement. We discuss the advantages, in this problem, of fixing the SPH particles, rather than allowing them to move with the fluid. A new coupled Brownian dynamics-SPH method for the computation of confined flows of non-dilute polymer solutions with full hydrodynamic interaction and excluded volume forces is next presented. The starting point for the algorithm is the system of coupled Langevin equations for polymer and solvent (CLEPS) (see Oono and Freed (1981) and Öttinger and Rabin (1989), for example) describing, in the present case, the microscopic dynamics of a flowing polymer solution with a bead-spring representation of the macromolecules. Numerical tests of some two-dimensional channel flows reveal that use of a second-order projection scheme coupled with fixed SPH quadrature points leads to second-order velocity convergence and almost second-order pressure convergence, provided that the solution is sufficiently smooth. In the case of large-scale dumbbell and bead-spring chain calculations, an appropriate scaling of the number of grid points as a function of the number of beads N ensures, in the absence of excluded volume forces, that the cost of our algorithm is O(N) flops. Finally, we begin calculations in three dimensions with our SPH model. To this end, we solve in three dimensions the problem of Poiseuille flow between two infinite and parallel plates and the problem of Poiseuille flow in a rectangular infinitely long duct. In addition, we carry out three dimensional computations of confined flows of non-dilute polymer solutions with full hydrodynamic interaction and excluded volume forces.

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. / In this thesis we develop a new smoothed particle hydrodynamics (SPH) method suitable for solving the incompressible Navier-Stokes equations, even with singular forces. Singular source terms are handled in a manner similar to that in the immersed boundary (IB) method of Peskin (2002) or in the method of regularized Stokeslets (Cortez, 2001). The numerical scheme implements a second-order pressure-free projection method due to Kim and Moin (1985) and completely obviates the difficulties that may be faced in prescribing Neumann pressure boundary conditions. We present two variants of this approach, one Langrangian which is commonly used and one Eulerian, simply because we consider that the SPH particles are quadrature points on which the fluid properties are calculated, therefore, these points can be kept fixed in time. The proposed SPH method is first tested on the planar start-up Poiseuille problem and a detailed error analysis is performed. For this problem, the results are similar whether the SPH particles are free to move or fixed on a regular grid. Our hybrid SPH-IB method is then used to calculate the dynamics of a stretched immersed elastic membrane. The membrane is represented by a cubic spline along which the tension in the membrane is computed and transmitted to the surrounding fluid. The Navier-Stokes equations with singular force due to the membrane are then solved to determine the velocity of the fluid in which the membrane is immersed. The fluid velocity thus obtained is interpolated on the interface, to determine its displacement. We discuss the advantages, in this problem, of fixing the SPH particles, rather than allowing them to move with the fluid. A new coupled Brownian dynamics-SPH method for the computation of confined flows of non-dilute polymer solutions with full hydrodynamic interaction and excluded volume forces is next presented. The starting point for the algorithm is the system of coupled Langevin equations for polymer and solvent (CLEPS) (see Oono and Freed (1981) and Öttinger and Rabin (1989), for example) describing, in the present case, the microscopic dynamics of a flowing polymer solution with a bead-spring representation of the macromolecules. Numerical tests of some two-dimensional channel flows reveal that use of a second-order projection scheme coupled with fixed SPH quadrature points leads to second-order velocity convergence and almost second-order pressure convergence, provided that the solution is sufficiently smooth. In the case of large-scale dumbbell and bead-spring chain calculations, an appropriate scaling of the number of grid points as a function of the number of beads N ensures, in the absence of excluded volume forces, that the cost of our algorithm is O(N) flops. Finally, we begin calculations in three dimensions with our SPH model. To this end, we solve in three dimensions the problem of Poiseuille flow between two infinite and parallel plates and the problem of Poiseuille flow in a rectangular infinitely long duct. In addition, we carry out three dimensional computations of confined flows of non-dilute polymer solutions with full hydrodynamic interaction and excluded volume forces.