Le but de ce travail est le développement d’un modèle 1D pour la simulation du fonctionnement d’un chenal d’oxydation. Le couplage du modèle hydrodynamique et des cinétiques biologiques permettront une meilleure description du procédé. L’hydrodynamique dans le chenal est modélisée par un réacteur piston à dispersion axiale. Le transfert d’oxygène et les réactions biologiques sont aussi intégrés dans le modèle. Les réactions biologiques sont représentées par le modèle biologique ASM1 développé par Henze 1987 tenant compte de la dégradation du carbone et celle de l’azote. C’est un modèle tout à fait adapté pour la modélisation des processus biologique mis en jeu dans un chenal d’oxydation partiellement aéré. La validation du modèle développé a été effectuée par la comparaison avec les mesures effectuées sur une installation pilote de volume 1 m3 (Lesage 2002). Cette validation est faite en trois étapes : validation de l’hydrodynamique par la simulation de la distribution du temps de séjour, validation du transfert d’oxygène par la simulation de remontée d’oxygène en eau claire et validation du modèle biologique par la simulation de la réponse réspiromètrique. Le modèle développé est ensuite utilisé pour la simulation du fonctionnement d’une station à taille réelle celle de Mahrès (1300 m3). Des mesures des concentrations en oxygène dissous dans le chenal de Mahrès ont permis de distinguer une hétérogénéité spatiale et temporelle. La simulation à échelle réelle consiste à reproduire ces gradients de concentrations existant au sein du chenal après la détermination des paramètres du modèle par le biais de mesures expérimentales sur la station citée et par le calage du modèle cinétique de dégradation de l’azote. Ce travail dénote l’importance du modèle développé pour la simulation d’un procédé à boue activée avec une hydrodynamique particulière et une aération par alternance de zone où la zone anoxie est nécessaire pour la réaction de dénitrification / The aim of this study is to obtain a validated model for the description of an oxidation ditch system, which could be used as a decision tool. A spatio-temporal 1D model which integrates hydrodynamic, oxygen transfer and biologic kinetics was developed. This work provides a prediction of COD and nitrogen fractions and dissolved oxygen concentrations described by widely used ASM1 model (Henze et al., 1987). This model was validated on the experimental result obtained by a campaign measurement in lab scale activated sludge study having a volume of 1m3 (Lesage, 2002). This validation is made in three steps: hydrodynamic validation by the simulation of the residence time distribution, oxygen transfer validation by simulating oxygen rise in clear water and the biological model validation by the simulation of oxygen uptake rate. The model developed was used to simulate a full scale plant of 1300 m3. Such model can well predicts the plug flow behavior of dissolved oxygen exiting in large scale oxidation ditch and has the ability to simulate dynamic behavior of wastewater components. The full scale simulation is done after model parameters identification and calibration of nitrogen kinetics model parameters. This model can be used to perform real time prediction which can help to optimize nitrification and denitrification occurring in the ditch under dynamic load

Cette thèse étudie de nouvelles approches pour contrôler le coefficient de frottement dans les contacts en lubrification elastohydrodynamique (EHL) grâce à l'utilisation de surfaces texturées. Par l'expérimentation et la simulation numérique, les phénomènes gouvernants le frottement en EHL sont tout d'abord identifiés, puis l'effet de différentes surfaces texturées (cavités, rainures, ripples) sur le coefficient de frottement est mis en évidence. Les résultats indiquent que le coefficient de frottement peut être contrôlé par l'ajustement adéquat de la géométrie des textures. / This thesis focuses on finding new ways to control the friction coefficient in elastohydrodynamically lubricated (EHL) contacts through the use of surface textures. Experiments and numerical simulations are employed to first identify the governing phenomena responsible for friction in EHL and then to assess the effect of different surface textures (dimples, grooves and ripples) on the friction coefficient. The findings indicate that the coefficient can be controlled by carefully adjusting the texture geometry.

Le broyage réalisé dans un broyeur à billes agité est un procédé permettant de produire des nanoparticules en suspension dense. L’étude réalisée a pour objet l’analyse de l’influence de l’hydrodynamique sur le processus de réduction de taille. La première partie de l’étude a porté sur la modélisation de l'hydrodynamique globale dans ce broyeur en considérant un fluide équivalent de propriétés rhéologiques variables, représentant le mélange des billes de broyage et de la suspension à broyer. Les champs de vitesse, obtenus par simulation numérique directe (DNS), ont permis de déterminer une cartographie des collisions avec leurs caractéristiques et d'en déduire les mécanismes responsables de la fragmentation. A partir de la connaissance des vitesses d'impact et des nombres de Reynolds caractéristiques des collisions dans le broyeur, un dispositif expérimental a été conçu reproduisant, à plus grande échelle, le rapprochement d'une bille de broyage mobile vers une bille fixe. Les profils de vitesse de drainage ont été mesurés par vélocimétrie par image de particules (PIV) sous différentes conditions expérimentales et différentes configurations d'impact. Ces mesures ont permis de calculer les trajectoires de particules fictives dans l'entrefer entre les sphères et d'estimer une efficacité de capture des particules. On observe qu'une augmentation des effets d'inertie de ces particules, en agissant soit sur leur diamètre, soit sur la vitesse de collision, est favorable à leur capture et par conséquent à leur fragmentation. De manière complémentaire, l'examen des trajectoires de particules réelles déposées à la surface de la sphère immobile a révélé que l'efficacité de capture est réduite lorsque le nombre de Stokes des particules augmente. / The stirred media mill is used to produce nanoparticles from dense suspensions. The purpose of our study is to analyse the influence of the hydrodynamics on the fragmentation process. The first part is devoted to the flow modelling in the mill for an equivalent fluid. The constitutive law is accounting for the properties of grinding beads and suspended particles. Velocity fields, obtained by direct numerical simulations, have permitted to analyse the collision characteristics and to determine the major mechanisms leading to fragmentation. By determining the impact velocities and collisional Reynolds we were able to set up an experiment modelling two approaching grinding beads. One bead is mobile while the other is fixed. The flow velocities in the fluid have been measured by PIV for a wide range of conditions. These velocity fields have been used to calculate particle trajectories within the gap between the two beads. This yields to estimate a capture efficiency for particles. We concluded that an increase of the particle diameter or an increase of the impact velocity increases the probability of capture. Additionally, trajectories of deposited particle at the surface of the fixed spheres show that the capture efficiency decreases when the Stokes number of the particle increases.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur les courants et le transport de matière solide en suspension, au voisinage de grandes structures immergées en eau peu profonde. Nous avons focalisé notre étude sur le cas de cages d'aquaculture installées dans la rade de Cherbourg. Situées dans une zone de fort courant, elles impactent leur environnement en modifiant l'écoulement et la turbidité locale. En dépit de nombreuses études déjà disponibles sur l'impact hydrodynamique de tels obstacles, de nombreuses questions se posent encore concernant l'écoulement sous la cage, la production de turbulence, l'érosion du sol et la remise en suspension de sédiments, ainsi que le devenir des déchets produits par la cage. Nous avons choisi de développer trois approches complémentaires pour apporter des éléments de réponse à ces questions. La thèse débute par une étude purement théorique de l'hydrodynamique au voisinage d'un obstacle immergé, assimilé à un milieu poreux, et dans une géométrie simplifiée. Ce modèle bi-dimensionnel, dans le plan vertical, donne de premiers ordres de grandeurs concernant la chute de pression motrice le long du courant, l'accélération du fluide sous la cage, la production de turbulence. Cette étude est suivie d'une analyse numérique de ce même modèle, dans laquelle certaines approximations seront levées. En particulier, le modèle numérique permet de considérer des cages plus imperméables que celles analysées par le modèle théorique. Il est cependant limité en nombre de Reynolds, et a été appliqué avec des échelles réduites. Ce modèle numérique a permis d'analyser le lien direct entre le coefficient de traînée effectif de la cage et diverses quantités-clés : le débit à travers la cage, la chute de pression le long du courant, la production de turbulence et l'apparition d'une zone de recirculation à l'arrière de l'obstacle. Ce dernier effet, visible seulement pour des cages très imperméables, a un impact notable sur le transport de sédiments et d'effluents : lorsque l'arrière de la cage devient une zone morte (zone de recirculation), l'essentiel du débit passe au dessous, ce qui crée de fortes survitesses et produit de la turbulence. Celle-ci peut alors entraîner des particules indésirables dans la zone morte, ce qui augmente notablement la complexité de leurs trajectoires et retarde leur évacuation. Enfin, ces études théoriques ont été complétées par des mesures vélocimétriques et turbidimétriques à l'amont et à l'aval d'une grande cage installée dans la rade de Cherbourg. Celles-ci confirment la présence d'une survitesse en provenance du dessous de la cage, comparable à celle prédite par le modèle théorique. Dans le cas d'une cage très peu perméable, la persistence d'une forte turbidité a été mesurée à l'aval de celle-ci, en accord qualitatif avec les simulations numériques. / This manuscript presents investigations of current and sediment transport in the vicinity of large immersed structures in shallow water flows. It focuses on aquaculture cages installed in the roadstead of Cherbourg. Being located in a high stream zone, these obstacles have a non-negligible effect on currents as well as turbidity. In spite of numerous references on this topic, many questions still arise concerning the environmental impact of such objects. Quantitative information are still needed about the flow below the cage, turbulence production, erosion of the sand bed, sediments resuspension, and evacuation of effluents. To deal with these open questions, we have chosen to develop three complementary approaches. The thesis starts with an analytical study of the flow in a simplified two-dimensional model containing a large rectangular porous structure. Only the motion in the vertical mid-plane of the obstacle is considered. This preliminary model provides estimations of various dynamic quantities, like the velocity increase below the cage, the decay of piezometric pressure along the stream, and turbulence production. Then follows a numerical analysis of the very same flow, based on less stringent approximations. Because of the high cost of computations, simulations have been done at a reduced scale. Nevertheless, they confirm most of the findings of the analytical approach for very permeable cages, and provide crucial information also about weakly permeable cages which were out of reach of the analytical model. In particular, the formation of a recirculation cell behind such cages, together with turbulence production, have been studied with the numerical model. This effect has been observed to affect sediment and effluent transport: when the flow at the rear of the cage takes the form of a cell with closed streamlines, the cage can be thought of as closed and most of the flow passes below. This creates large velocity gradients and produces turbulence which significantly increases the dispersion of sediments and effluents. These particles are then likely to be captured for some time in the cell, instead of being evacuated away. In addition to these theoretical approaches, in-situ current and turbidity measurements have been performed upstream and downstream of a large cage immersed in the roadstead of Cherbourg. They confirm the existence of a fast stream emerging from below the cage. Vertical streamwise velocity profiles have been shown to agree with theoretical ones, in the case of a very permeable cage. Also, large turbidity levels have been recorded at the rear of a weakly permeable cage, in qualitative agreement with simulations.

Ce projet de maîtrise a pour but d'améliorer l'uniformité de l'écoulement en entrée de turbine dans le banc d'essai du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval. Pour cela, une approche numérique a été utilisée. Diverses simulations numériques de ce banc d'essai ont été réalisées sur le logiciel de simulation numérique ANSYS CFX, afin de permettre la comparaison de différentes solutions techniques. Une simulation utilisant l'approche URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-e a d'abord été réalisée pour analyser le comportement de l'écoulement dans le banc d'essai initial du laboratoire. La validation de ce modèle est basée sur un travail antérieur donnant le comportement expérimental de l'écoulement en certains endroits dans le banc d'essai, en amont d'une turbine bulbe. Cette simulation a montré qu'une modification majeure de l'amenée aurait un effet bénéfique sur l'écoulement. Les autres simulations, utilisant une approche RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), ont servi à comparer différentes solutions technologiques envisageables selon la littérature pour une application dans le banc d'essai, et qui seraient, à priori, bénéfiques pour la stabilité de l'écoulement. L'analyse de diverses caractéristiques de cet écoulement a permis de mettre en avant deux solutions aux résultats prometteurs dans ces conditions d'expérimentation, à savoir l'installation d'un coude avec deux aubes directrices avant la section d'essai, et l'installation d'une plaque stabilisatrice d'écoulement dans un tuyau droit en amont de la turbine. Cette dernière solution est celle qui aura été retenue par le LAMH pour son nouveau projet de recherche : Tr-Francis. / The objetive of this project is to improve the uniformity of the inlet flow of a turbine within the test bench of the Laboratory of Hydraulic Machines, LAMH, of Université Laval. For this purpose, a numerical approach has been employed. Several numerical simulations have been carried out on the software "ANSYS CFX" and compared with one another, after validation of the simulation conditions and assumptions. A simulation using the URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) approach with a turbulence model k-e was first used to analyze the flow behavior in the original test bench installed in the laboratory. The validation of the model is based on a previous project giving the experimental flow behavior at certain locations in the test bench upstream a bulb turbine. The simulation showed that a major change in the configuration upstream of the turbine in the test bench would be beneficial on the effect it has on the flow. Other simulations using the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach compared several technological solutions for application in the modified test bench, which, according to the literature, would be beneficial for flow stability. The analysis of various flow characteristics higlighted two potential solutions in this situation : the installation of a curved pipe with two guided vanes upstream of the test section, or the installation of a flow stabilizer plate in a straight pipe to replace the upstream tank, upstream the turbine. This second solution is the one the LAMH put to use for its next project : Tr-Francis.

Ce mémoire présente les travaux de recherche ayant trait à la modélisation hydrodynamique du ruisseau Pratt et à l’évaluation du risque lié aux inondations à Coaticook. Quatre chapitres composent ce document. Le contexte de la recherche y est d’abord présenté. L’état des connaissances concernant le cours d’eau complexe qu’est le ruisseau Pratt est synthétisé, notamment son historique d’inondations, ses aspects hydrologiques et hydrauliques ainsi que les solutions envisagées jusqu’ici pour régler les problématiques d’inondations. La construction d’un bassin de rétention et l’érection de murs au centre-ville sont favorisées. Par la suite, la méthodologie employée pour développer des modèles hydrodynamiques 1D et 2D sur HECRAS 5.0 est présentée. Les différentes simulations effectuées pour évaluer le risque lié aux inondations de même que la façon dont ces résultats ont été exploités sont ensuite détaillées. La démarche d’évaluation du dommage moyen annuel (DMA) à l’aide de l’aléa des inondations, de l’exposition des bâtiments et de leur vulnérabilité y est notamment décrite. Le troisième chapitre du mémoire contient les résultats de l’étude. Les étendues d’inondation de même que la cartographie des zones inondables pour trois situations et pour les récurrences de 2, 20 et 100 ans sont présentées. Des séries de cartes exploitant des indicateurs de danger potentiel se trouvent également dans cette section. Enfin, les résultats du calcul du DMA pour différents scénarios sont montrés. Selon ces résultats, le DMA lié aux inondations de la ville de Coaticook se trouverait actuellement entre 145 k $-et 228 k $-an. La construction d’un bassin de rétention pourrait toutefois abaisser ces valeurs de plus de 80 %. Finalement, différentes analyses sont exposées dans le dernier chapitre du mémoire. Un jugement sur la légitimité des résultats qui comprennent des incertitudes importantes est d’abord avancé. Ceux-ci sont estimés réalistes, malgré certaines ambiguïtés. L’écoulement du ruisseau Pratt lors d’inondation est ensuite apprécié à l’aide d’une caractérisation de la propagation des inondations et d’une analyse des résultats de modélisation. Les risques liés aux inondations et la pertinence des mesures de mitigations sont finalement analysés. Techniquement, les risques pourraient être grandement diminués à l’aide du bassin de rétention et de l’érection des murs. La première solution pourrait d’ailleurs être rentable si son coût de construction demeure inférieur à 2,4 M $ -voire 3,7 M $ -en considérant les impacts potentiels des changements climatiques sur le régime hydrologique du ruisseau Pratt. Des risques supplémentaires peuvent toutefois accompagner la mise en place de ses mesures. Ces derniers sont décrits à la fin du quatrième chapitre de ce mémoire.

Les turbines hydrauliques sont devenues un atout important pour la régulation de la puissance sur les réseaux électriques. Cependant, les scénarios de régulation de puissance exigent que les turbines fonctionnent loin de leurs points d'opération optimale, dans des régions où de grandes uctuations de pression peuvent affecter l'intégrité structurale de la turbine. Cette thèse présente des contributions a l'etude de l'hydrodynamique de l'écoulement dans une turbine helice modele fonctionnant dans des conditions de charge partielle et de vitesse-sans-charge. À charge partielle, les fluctuations de pression principales sont associées à un vortex cavitant. Des mesures provenant de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) couplées à des techniques de fluorescence induite par laser et d'ombroscopie ont été utilisées pour reconstruire l'interface eau-vapeur et identier l'origine de fluctuations aectant la précision des mesures de PIV moyennées en phase. De plus, des capteurs de pression miniatures incorporés dans deux aubes de la roue ainsi que des jauges de deformation montées sur les aubes ont fourni des données pour quantier l'impact du vortex de charge partielle sur la turbine. Cette thèse présente également l'une des premieres etudes detaillees sur les conditions transitoires et sans charge dans une turbine modèle. Les capteurs de pression et de déformation sur les aubes ont ete utilisés pour identier les instabilités dominantes dans des conditions de vitesse sans charge et d'emballement. Des simulations basées sur la technologie Scale Adaptive Simulations (SAS) de la condition de vitesse-sans-charge ont été utilisés pour étudier un décrochage tournant dans la roue. Des simulations sans les aubes indiquent que le décrochage tournant est associé à une couche cisaillée provenant d'une recirculation autour du moyeu de la roue et d'une séparation de la couche limite sur le fond supérieur. / Hydraulic turbines have become an important asset to provide power regulation on electrical grids. However, power-regulation scenarios require turbines to operate far from their best eciency conditions, in regions where large pressure uctuations aect the turbine structural integrity. This is particularly acute for xed blade reaction turbines such as propeller units. This thesis presents contributions to the study of the hydrodynamics of the ow in a model propeller turbine operating in part-load and speed-no-load conditions. In part load, the main pressure uctuations are associated with the part-load vortex. Data from Particle Image Velocimetry (PIV), coupled to Laser Induced Fluorescence and shadowgraphy techniques, were used to reconstruct the water-vapour interface and to identify the origin of uctuations aecting the precision of the phase-averaged PIV measurements. Furthermore, miniature pressure transducers imbedded in two runner blades and strain gages at the blade roots provided data to quantify the impact of the part load vortex on the runner. This thesis also presents one of the rst detailed studies on transient and no-load conditions in a model hydro-turbine. Pressure and strain sensors were used to identify the dominant ow instabilities in speed-no-load and runaway conditions. Scale Adaptive Simulations (SAS) of the speed-no-load condition were used to study a rotating stall dominating the runner ow. Simulations without runner blades indicate that the rotating stall is associated with an unstable shear-layer originating from a recirculation around the runner hub and a boundary layer separation on the turbine head cover. Those results open the possibility of eventually developing mitigation techniques.

L'ajustement du modèle Hydrotel pour la prévision sur le bassin versant de la rivière chaudière a été effectué pour la période de mars à décembre 1990. L'approche utilisée est celle qui consiste à minimiser les erreurs dues aux données météorologiques lorsque l'on suppose, pour des fins algorithmiques et ce tenter aucune démonstration, que les erreurs liées au modèle et à la description du bassin ont été prises en compte ; dans la mesure du possible, lors de l'étalonnage du modèle sur le bassin. Notre hypothèse est que la capacité prévisionnelle d'Hydrotel est améliorée par l'utilisation des données hydrométéorologiques corrigées, tel que l'écart entre les valeurs observées et estimées, qui est réinjecté à l'entrée du modèle. L'amélioration est, par ce fait, obtenue en ajustant artificiellement les coefficients affectés aux sollicitations météorologiques pour que les débits simulés soient le plus près possible des plus récents débits observés. Comme critère et stratégie pour la minimisation des écarts entre les apports simulés et observés, une fonction objective est définie. C'est une fonction implicite des coefficients d'ajustement des précipitations, des températures et des réserves en eau du sol. Les raisons qui ont motivé le choix du modèle, les avantages et les désavantages d’Hydrotel sont présentés. Les caractéristiques physiques et hydroclimatiques du bassin versant de la Chaudière sont analysées. Les résultats obtenus montrent le caractère opérationnel de cette approche très simple. Selon les saisons, les caractéristiques des crues sont particulièrement sensibles au coefficient d'ajustement des précipitations et bien moins aux coefficients de température locale de l'atmosphère et de teneur en eau du sol du bassin versant. Le calage numérique des coefficients d'ajustements sur chaque crue au cours de la période d'étude permet d'étudier leur évolution temporelle. D'autre part, le coefficient de corrélation des droites de régression permet de trouver la meilleure fourchette des valeurs des coefficients affectés aux données météorologiques minimisant ainsi l'écart, par rapport à l'hydrogramme observé, du volume de la crue prévue ou l'importance de l'écart de pointe de crue. Les débits simulés se rapprochent des débits observés d'une façon satisfaisante, particulièrement en période de forts débits. Les ajustements établis à pas de temps journaliers ont permis des prévisions satisfaisantes et apportent une possibilité d'une correction continue, toutefois l'implantation d'Hydrotel sur le bassin de la rivière Chaudière qui a été utilisés a une légère tendance à sous-estimer le début des crues et à surestimer la décrue. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ajustement, mise à jour, modèle, hydrologie, simulation, hydrogramme, Hydrotel, variables d'état, fonction objectif.

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La connaissance du comportement hydrodynamique et du transfert de matière de la bulle est importante car elle fournira des indications pour la sélection des conditions de fonctionnement et la conception du réacteur dans de tels processus. Cette thèse a réalisé une étude expérimentale pour les bulles d’air isolées en ascension dans diverses solutions de polymères (Breox, Polyacrylamide (PAAm) and Xanthan gum) qui peuvent simuler les propriétés des eaux usées. Les travaux sont divisés en trois parties: Tout d’abord, en dressant l’état de l'art sur les techniques de visualisation pour le transfert de matière, trois techniques ont été testées pour les bulles d’air (diamètre équivalent ≈ 1 mm) en ascension dans l'eau, notamment la fluorescence induite par plan laser (PLIF, fluorophore: résorufine fluorescente), la PLIF avec inhibition (fluorophore: complexe de ruthénium) et techniques colorimétriques (colorant: résorufine rose), respectivement. Par la suite, sur la base des images capturées par une caméra haute vitesse, le comportement hydrodynamique des bulles d'air (diamètres équivalents: 0,7 à 7 mm) s'élevant dans les solutions de polymères (PAAm et Xanthan) a été étudiée, notamment la vitesse, la trajectoire et la forme de la bulle. Enfin, appliquant la technique PLIF-I, les phénomènes de transfert de matière et de diffusion dans le sillage de bulles d'air (diamètre équivalent 1 ≈ mm) dans différentes solutions aqueuses de polymères (PAAm et Breox) ont été étudiés. / The knowledge on the hydrodynamic property and mass transfer of bubbles is important since it will give guidelines for selecting the operation condition and for reactor design in such processes. For this purpose, this PhD manuscript has implemented an experimental investigation of single air bubbles rising in various polymer solutions (Breox, Polyacrylamide (PAAm) and Xanthan gum) which can simulate the property of the sewage. The works can divided into three parts: Firstly, with a review of the current visualization techniques for mass transfer, three techniques have been tested for air bubble (equivalent diameter ≈ 1 mm) rising in water including traditional Planar Laser Induced Fluorescent (PLIF, dye: fluorescent resorufin), Fluorescent quenching technique (PLIF with Inhibition, dye: ruthenium complex) and colorimetric techniques (dye: pink resorufin), respectively. Secondly, based on images captured by a high speed camera, the hydrodynamics of the bubble single air bubbles (equivalent diameters: 0.7-7 mm) rising in the polymer solutions (PAAm and Xanthan) have been investigated including the bubble velocity, trajectory and bubble shape. Finally, based on PLIF-I technique, the mass transfer and diffusion phenomena in the wake of single air bubbles (equivalent diameter ≈ 1 mm) rising in various aqueous polymer solutions (PAAm and Breox) are investigated.