The regenerator is the key component in magnetic cycles for refrigeration and heat pumping. It works as temporal thermal energy storage and separates two thermal reservoirs. Regenerators are typically made up of porous structures which may create complex flow pathways for the heat transfer fluid through the regenerator. The periodically reversing flow allows the thermal energy exchange with the packing material in the regenerators. The performance of such thermal devices depends greatly on the geometry of the porous structure, material properties as well as operating conditions. This thesis is a study about the thermo-hydraulic properties of passive regenerators under oscillating flow conditions. The first part of the thesis presents a passive regenerator testing apparatus used to measure temperature distribution and pressure drop for various types of regenerators. Three kinds of loose spheres packed regenerator beds are characterized, and the regenerator effectiveness is evaluated. In the second part of the thesis, a numerical model is developed for the predictions of pressure drop and temperature field, and the theoretical findings are applied to experimentally obtained data to interpret regenerator performance. The dead volume is investigated quantitatively and considered to affect the regenerator performance adversely. / Graduate

La chromatographie à lit mobile simulé (procédé SMB) est une technique de séparation bien maîtrisée dans certains secteurs traditionnels tels que la séparation de sucres et d’hydrocarbures. Cependant, son application à la séparation de composés à haute valeur ajoutée dans l’industrie pharmaceutique pose de nouveaux problèmes liés à la nature des produits à séparer ainsi qu'aux exigences plus strictes en matière de pureté et de quantités produites. Les principaux problèmes ouverts sont notamment la détermination des conditions de fonctionnement optimales, la conception de structures robustes de régulation, et le développement d’un système de supervision permettant la détection et la localisation de dégradations de fonctionnement. Ces tâches requièrent l’usage d’un modèle mathématique du procédé ainsi qu’une méthodologie d’estimation paramétrique. L’étude et le développement des modèles mathématiques pour ce type d’installation ainsi que l’estimation des paramètres des modèles sur base de mesures expérimentales constituent précisément l’objet de nos travaux de doctorat. Les modèles mathématiques décrivant les procédés SMB consistent en les bilans massiques des composés à séparer. Ce sont des modèles à paramètres distribués (décrit par des équations aux dérivées partielles). Certains ont un comportement dynamique de type hybride (c'est-à-dire faisant intervenir des dynamiques à temps continu et des événements discrets). Quelques modèles ont été développés dans la littérature. Il s’agit de sélectionner ceux qui paraissent les plus intéressants au niveau de leur temps de calcul, de leur efficacité et du nombre de paramètres à déterminer. En outre, de nouvelles structures de modèles sont également proposées afin d’améliorer le compromis précision / temps de calcul. Ces modèles comportent généralement certains paramètres inconnus. Ils consistent soit, en des grandeurs physiques mal définies au départ des données de base, soit, en des paramètres fictifs, introduits à la suite d'hypothèses simplificatrices et englobant à eux seuls un ensemble de phénomènes. Il s’agit de mettre au point une procédure systématique d’estimation de ces paramètres requérant le moins d’expériences possible et un faible temps de calcul. La valeur des paramètres est estimée, au départ de mesures réelles, à l'aide d'une procédure de minimisation d'une fonction de coût qui indique l’écart entre les grandeurs estimées par le modèle et les mesures. La sensibilité du modèle aux écarts sur les paramètres, ainsi que l’identifiabilité du modèle (possibilité de déterminer de manière univoque les paramètres du modèle) sur la base de mesures en fonctionnement normal sont étudiées. Ceci fournit un critère de comparaison supplémentaire entre les différents modèles et permet en outre de déterminer les conditions expérimentales optimales (choix du type d’expérience, choix des signaux d’entrée, choix du nombre et de la position des points de mesures…) dans lesquelles les mesures utilisées lors de l’estimation paramétrique doivent être relevées. De plus, les erreurs d’estimation sur les paramètres et les erreurs de simulation sont estimées. La procédure choisie est ensuite validée sur des données expérimentales recueillies sur un procédé pilote existant au Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer systeme (Magdebourg, Allemagne).

La chromatographie à lit mobile simulé (procédé SMB) est une technique de séparation bien maîtrisée dans certains secteurs traditionnels tels que la séparation de sucres et d’hydrocarbures. Cependant, son application à la séparation de composés à haute valeur ajoutée dans l’industrie pharmaceutique pose de nouveaux problèmes liés à la nature des produits à séparer ainsi qu'aux exigences plus strictes en matière de pureté et de quantités produites. Les principaux problèmes ouverts sont notamment la détermination des conditions de fonctionnement optimales, la conception de structures robustes de régulation, et le développement d’un système de supervision permettant la détection et la localisation de dégradations de fonctionnement. Ces tâches requièrent l’usage d’un modèle mathématique du procédé ainsi qu’une méthodologie d’estimation paramétrique. L’étude et le développement des modèles mathématiques pour ce type d’installation ainsi que l’estimation des paramètres des modèles sur base de mesures expérimentales constituent précisément l’objet de nos travaux de doctorat.<p><p>Les modèles mathématiques décrivant les procédés SMB consistent en les bilans massiques des composés à séparer. Ce sont des modèles à paramètres distribués (décrit par des équations aux dérivées partielles). Certains ont un comportement dynamique de type hybride (c'est-à-dire faisant intervenir des dynamiques à temps continu et des événements discrets). Quelques modèles ont été développés dans la littérature. Il s’agit de sélectionner ceux qui paraissent les plus intéressants au niveau de leur temps de calcul, de leur efficacité et du nombre de paramètres à déterminer. En outre, de nouvelles structures de modèles sont également proposées afin d’améliorer le compromis précision / temps de calcul. <p><p>Ces modèles comportent généralement certains paramètres inconnus. Ils consistent soit, en des grandeurs physiques mal définies au départ des données de base, soit, en des paramètres fictifs, introduits à la suite d'hypothèses simplificatrices et englobant à eux seuls un ensemble de phénomènes. Il s’agit de mettre au point une procédure systématique d’estimation de ces paramètres requérant le moins d’expériences possible et un faible temps de calcul. La valeur des paramètres est estimée, au départ de mesures réelles, à l'aide d'une procédure de minimisation d'une fonction de coût qui indique l’écart entre les grandeurs estimées par le modèle et les mesures. La sensibilité du modèle aux écarts sur les paramètres, ainsi que l’identifiabilité du modèle (possibilité de déterminer de manière univoque les paramètres du modèle) sur la base de mesures en fonctionnement normal sont étudiées. Ceci fournit un critère de comparaison supplémentaire entre les différents modèles et permet en outre de déterminer les conditions expérimentales optimales (choix du type d’expérience, choix des signaux d’entrée, choix du nombre et de la position des points de mesures…) dans lesquelles les mesures utilisées lors de l’estimation paramétrique doivent être relevées. De plus, les erreurs d’estimation sur les paramètres et les erreurs de simulation sont estimées. La procédure choisie est ensuite validée sur des données expérimentales recueillies sur un procédé pilote existant au Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer systeme (Magdebourg, Allemagne).<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La radiothérapie guidée par résonance magnétique promet une administration de dose plus précise que les techniques conventionnelles puisqu’elle permet une visualisation en temps réel des structures internes avant et pendant le traitement. Cependant, la dosimétrie doit être réalisée en présence de champs magnétiques. Alors que le champ magnétique n’affecte pas le transport des particules neutres, il affecte le transport des particules chargées secondaires en raison de la force de Lorentz, qui modifie le champ de rayonnement et la réponse de dose du détecteur. Cette thèse vise à comprendre l’effet du champ magnétique sur la réponse de dose du détecteur, à la caractériser et à fournir des facteurs de correction de qualité prenant en compte l’impact du champ magnétique. Dans le premier article, quatre chambres d’ionisation à petite cavité ont été caractérisées via des simulations de Monte Carlo et des mesures expérimentales. Il a été constaté que le champ magnétique accentuait tous les détails géométriques. Une description précise du volume sensible effectif est cruciale dans les simulations. De plus, la géométrie modélisée doit être aussi proche que possible de la géométrie réelle, y compris les couches d’air internes. Des facteurs de correction de qualité tenant compte du champ magnétique et de son incertitude du budget d’incertitude sont présentés pour différentes configurations. Le deuxième article a évalué l’effet du champ magnétique sur les facteurs de perturbation de cinq détecteurs à petite cavité, dont trois détecteurs à petite cavité et deux détecteurs à semi-conducteurs. Les facteurs de perturbation des composants structurels, les facteurs de moyenne de densité et de volume ont été déterminés pour différentes tailles de champ et orientations. De plus, des facteurs de correction de qualité ont été calculés dans les mêmes conditions. Les résultats montrent que le champ magnétique a un impact significatif sur le facteur de perturbation de la densité dans les chambres d’ionisation. En revanche, son impact est plus prononcé dans les composants structurels des détecteurs semi-conducteurs. L’objectif du troisième article était de fournir plus d’informations sur la compréhension de la relation dose-réponse des détecteurs dans les champs magnétiques via des calculs de spectres de fluence électronique. La fluence des électrons différentiel en énergie dans la cavité du détecteur peut être fortement modifiée dans les champs magnétiques, et les perturbations de fluence sont généralement plus évidentes pour les électrons de faible énergie. Ces calculs ont montré l’interaction entre plusieurs facteurs qui rendent les effets de perturbation imprévisibles dans le faisceau de photons couplé aux champs magnétiques : 1) orientation du détecteur et du champ magnétique, 2) taille et forme de la cavité, 3) composants structurels, 4) couche d’air entre le détecteur et le milieu et leur asymétrie, et 5) l’énergie. / Magnetic resonance-guided radiation therapy promises more accurate dose delivery than conventional techniques by allowing real-time visualization of internal structures before and during treatment. However, the dosimetry must be performed in the presence of magnetic fields. While the magnetic field does not affect the transport of uncharged particles, it affects the transport of secondary charged particles due to the Lorentz force, which modifies the radiation field and the detector dose-response. This thesis aims to understand the effect of the magnetic field on detector dose-response, characterize it, and provide quality correction factors accounting for the impact of the magnetic field. In the first article, four small-cavity ionization chambers were characterized via Monte Carlo simulations and experimental measurements. It was found that the magnetic field emphasized all the geometrical details. An accurate description of the effective sensitive volume is crucial in the simulations. Also, the modelled geometry must be as close as possible to the actual geometry, including the internal air layers. Quality correction factors accounting for the magnetic field and its uncertainty budget uncertainty are presented for different configurations. The second article evaluated the magnetic field effect on perturbation factors of five small volume detectors, including three ionization chambers and two solid-state detectors. The perturbation factors from extracameral components, density and volume averaging factors were determined for different field sizes and orientation setups. Additionally, quality correction factors were calculated in the same conditions. Results show that the magnetic field significantly impacts the density perturbation factor in the ionization chambers. In contrast, its impact is more pronounced in the extracameral components in the solid-state detectors. The purpose of the third article was to provide more insight into the understanding of detector dose-response in magnetic fields via calculations of electron fluence spectra. The electron fluence differential in energy in the detector cavity can be severely modified in magnetic fields, and fluence perturbations are generally more evident for low-energy electrons. These calculations showed the interplay between multiple factors that make the perturbation effects unpredictable in photon beams coupled to magnetic fields: 1) detector and magnetic field orientation, 2) cavity size and shape, 3) extracameral components, 4) air gaps and their asymmetry, and 5) energy.