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Measuring the liquid velocity and turbulence parameters in multiphase flows is a challenging task. In general, measurements based on optical methods are hindered by the presence of the gas phase. In the present work, it is shown that this leads to a sampling bias. Here, particle image velocimetry (PIV) is used to measure the liquid velocity and turbulence in a bubble column for different gas volume flow rates. As a result, passing bubbles lead to a significant sampling bias, which is evaluated by the mean liquid velocity and Reynolds stress tensor components. To overcome the sampling bias a window averaging procedure that waits a time depending on the locally distributed velocity information (hold processor) is derived. The procedure is demonstrated for an analytical test function. The PIV results obtained with the hold processor are reasonable for all values. By using the new procedure, reliable liquid velocity measurements in bubbly flows, which are vitally needed for CFD validation and modeling, are possible. In addition, the findings are general and can be applied to other flow situations and measuring techniques.

This thesis focuses on generating real world turbulence levels in a water tunnel rotor test using fractal grids and characterizing the effect of the fractal grid generated-turbulence on the performance of hydrokinetic turbines. The research of this thesis is divided into three studies: one field study and two laboratory studies. The field study was conducted at the Canadian Hydro Kinetic Turbine Test Centre (CHTTC) on the Winnipeg River. An Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used in the field study to collect flow measurements in the river. The laboratory studies were conducted at the University of Victoria (UVic) fluids research lab and the Sustainable Systems Design Lab (SSDL). In addition, the Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used in the experiential studies to obtain quantitative information about the vector flow field along the test section, both upstream and downstream of the rotor’s plane. The first study is a field study aiming to provide real flow characteristics and turbulence properties at different depths from the free-surface to boundary layer region of a fast river current by conducting a field study in the Winnipeg River using ADV. A novel technique to deploy and control an ADV from free-surface to boundary layer in a fast-current channel is introduced in this work. Flow characteristics in the river, including mean flow velocities and turbulence intensity profiles are analyzed. The obtained results indicate that the maximum mean velocity occurs below the free-surface, suggesting that the mean velocity is independent of the channel depth. From the free-surface to half depth, it was found that changes in both the mean velocity and turbulence intensity are gradual. From mid-depth to the river bed, the mean velocity drops rapidly while the turbulence intensity increases at a fast rate. The turbulent intensity varied from 9% at the free-surface to around 17.5% near the river bed. The results of this study were used in the second lab study to help designing a fractal grid for a recirculating water flume tank. The goal was to modify the turbulence intensity in the water tunnel such that the generated turbulence was similar to that in the river at a location typical of a hydrokinetic device. The properties of fractal-generated turbulence were experimentally investigated by means of 2D Particle Image Velocimetry (PIV). The streamwise turbulent intensity profiles for different grids along the channel are presented. Additionally, visualization of the average and fluctuating flow fields are also presented. The results are in good agreement with results in literature. The third and final study investigated the power coefficient of a scale hydrokinetic turbine rotor in controlled turbulent flow (7.4 % TI), as well as in the low-turbulence smooth flow (0.5% TI) typical of lab scale testing. PIV was employed for capturing the velocity field. The results show that using realistic TI levels in the water tunnel significantly decrease the turbine’s power coefficient compared to smooth flow, highlighting the importance of considering this effect in future experimental campaigns. / Graduate

Dans cette étude, l’intérêt est porté sur l’effet des conditions opératoires sur l’enrobage en voie sèche de grosses particules « hôtes » par de fines particules « invitées » et aussi sur la modélisation de cet enrobage selon la méthode par éléments discrets (DEM) afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Dans ce travail, les matériaux choisis comme particules hôtes sont les Suglets® et les particules invitées sont en stéarate de magnésium (StMg). Ces deux éléments sont introduits dans un mélangeur à fort taux de cisaillement, le Cyclomix. Les propriétés du produit final, comme la coulabilité, la mouillabilité et le degré d’avancement de l’enrobage, ont été caractérisés. La variation des propriétés est étudiée en fonction de la durée de traitement dans le Cyclomix pour diverses vitesses de rotation, taux de remplissage et rapport de taille de particules hôte et invitée. La coulabilité a été améliorée avec la durée du mélange ou la vitesse de rotationLe degré d’avancement présente une tendance semblable pour différentes conditions opératoires. Sa variation est représentée par une loi exponentielle empirique en fonction du temps de mélange, paramétrée par une constante ajustable. Cette constante permet d’estimer l’efficacité de l’enrobage. La simulation des mouvements de particules dans le mélangeur par DEM a permis d’obtenir des informations sur la position, la vitesse des particules, et d’autres paramètres énergétiques. Les champs de vitesse réelle ou numérique liés aux mouvements de particules, analysés par PIV (Particule Image Velocimetry), sont analogues. La constante d’enrobage dépend de la vitesse de rotation simulée et peut être ainsi prédite par DEM. / Investigations of the effect of the operating conditions on the dry coating and the motion of particles in a high shear mixer by the DEM simulation have been done. Big Suglets® and small Magnesium Stearate materials have been chosen for the dry coating process. The treatment has been carried out in a Cyclomix, a high shear mixer, at different mixing time, rotational speeds, filling ratio of the samples and particle size ratio to observe the effect of the operating conditions on the dry coating. A conversion ratio has been introduced to quantify the degree of coating and measured. The flowability has been improved when increasing the operation time in the mixer. Higher speeds of rotation can improve the flowability more rapidly. However, the flowability doesn’t seem to be sensitive to the filling ratio. The curves of conversion ratio versus time exhibit the same kind of variations for different operating conditions. It is possible to approximate this tendency by an exponential function in which a characteristic parameter “coating rate constant” is introduced, linked to the efficiency of the dry coating process, since the conversion ratio shows a linear relation with a flowability index and the wettability angle. Simulation of the particle motion in the mixer has been carried out by a Discrete Element Method: different parameters characterizing the location, the velocities, and the attachment of the particles have been derived. The velocity fields of the real and simulated particle motions, compared by Particle Image Velocity (PIV), are quite similar, validating the DEM method and allowing the prediction of the coating process.

An anguilliform swimming robot replicating an idealized motion is a complex marine vehicle necessitating both a theoretical and experimental analysis to completely understand its propulsion characteristics. The ideal anguilliform motion within is theorized to produce ``wakeless'' swimming (Vorus, 2011), a reactive swimming technique that produces thrust by accelerations of the added mass in the vicinity of the body. The net circulation for the unsteady motion is theorized to be eliminated. The robot was designed to replicate the desired, theoretical motion by applying control theory methods. Independent joint control was used due to hardware limitations. The fluid velocity vectors in the propulsive wake downstream of the tethered, swimming robot were measured using Particle Image Velocimetry (PIV). Simultaneously, a load cell measured the thrust (or drag) forces of the robot via a hydrodynamic tether. The measured field velocities and thrust forces were compared to the theoretical predictions for each. The desired, ideal motion was not replicated consistently during PIV testing, producing off-design scenarios. The thrust-computing method for the ideal motion was applied to the actual, recorded motion and compared to the load cell results. The theoretical field velocities were computed differently by accounting for shed vortices due to a different shape than ideal. The theoretical thrust shows trends similar to the measured thrust over time. Similarly promising comparisons are found between the theoretical and measured flow-field velocities with respect to qualitative trends and velocity magnitudes. The initial thrust coefficient prediction was deemed insufficient, and a new one was determined from an iterative process. The off-design cases shed flow structures into the downstream wake of the robot. The first is a residual disturbance of the shed boundary layer, which is to be expected for the ideal case, and dissipates within one motion cycle. The second are larger-order vortices that are being shed at two distinct times during a half-cycle. These qualitative and quantitative comparisons were used to confirm the possibility of the original hypothesis of ``wakeless'' swimming. While the ideal motion could not be tested consistently, the results of the off-design cases agree significantly with the adjusted theoretical computations. This shows that the boundary conditions derived from slender-body constraints and the assumptions of ideal flow theory are sufficient enough to predict the propulsion characteristics of an anguilliform robot undergoing this specific motion.

Cette thèse présente une étude expérimentale du problème de mélange dans les fluides complexes, étude menée en partenariat avec l’entreprise Sanofi Pasteur. Le mélange est un acte des plus fréquents dans la vie courante et aussi dans l’activité industrielle. On trouve dans la littérature de nombreuses études s’intéressant aux cuves de mélange pour en améliorer les performances à partir d’observations faites à grande échelle. Par contre, à notre connaissance, il y a peu de recherche sur l’hydrodynamique du mélange dans les fluides complexes. Dans notre travail, on étudie des fluides non-Newtoniens formés de solutions diluées de polymères caractérisés par leurs propriétés rhéofluidifiante et viscoélastique. Il s’agit de solutions aqueuses de Polyacrylamide (PAA) ou de la gomme de Xanthan (XG). Afin d’identifier la différence de comportement avec les fluides Newtoniens, une étude expérimentale avec de l’eau est effectuée dans les mêmes conditions que celles pour les fluides non-Newtoniens. Cette étude a été menée, en premier, sur un modèle réduit d’une cuve de mélange de Sanofi Pasteur. Les résultats obtenus, non représentés dans ce mémoire de thèse, nous ont amenés à mettre en place une étude fondamentale de l’écoulement dans un mélangeur de géométrie plus simple. Il s’agit alors de pouvoir contrôler les conditions initiales et de s’affranchir des effets secondaires de l’agitation pour ne s’intéresser qu’au mélange. Pour cela, la géométrie retenue est celle d’un mélangeur en T avec deux entrées perpendiculaires. L’exploration en 2D des champs de vitesse et de concentration de scalaire dans cette jonction en T est assurée simultanément aux moyens des techniques optiques (PIV et PLIF). Les observations montrent un effet non négligeable sur l’hydrodynamique et le mélange lié à la présence de polymères dans l’écoulement. De plus, les résultats obtenus permettent de calculer la tension de Reynolds uv et les flux de masse vc et uc. Ils seront utilisés par la suite pour vérifier leur conformité avec le modèle k epsilon couramment utilisé dans l’industrie. / This thesis presents an experimental study of the mixing in complex fluids which is conducted in partnership with Sanofi Pasteur. The mixture is one of the most common act in everyday life and also in industrial activities. We found in the literature many studies focusing on the mixing tanks with objective to improve performance based on observation of large scale. By cons, in our knowledge, there is few or no research on the hydrodynamics of a mixture in complex fluides. In our work, we study non-Newtonian fluids formed of diluted solution of polymer which characterized by their viscoelastic and shear thinning properties. We used in this study aqueous solutions of polyacrylamide (PAA) or xanthan gum (XG). To identify the difference in behavior with Newtonian fluid, an experimental study with water is carried out under the same conditions as those non-Newtonian fluids. At first, this study was on a reduced mixing tank of Sanofi Pasteur. The results, which not shown in this thesis, led us to develop a fundamental study of flow in a mixer with a simple geometry. The objective is to be able to control the initial conditions and to avoid the side effects of agitation to focus on the mixture. For this, we chose a mixer in a T shape with two perpendicular inputs. Exploring 2D velocity and scalar concentration fields in this T-junction is provided simultaneously of optical techniques (PIV and PLIF). Observations show a significant effect on the hydodynamic and mixture related to the presence of polymers in the flow. In addition, results are used to calculate the Reynolds stress uv and the scalar flux vc and uc. They will be used to check their compliance with the k epsilon model that commonly used in industry.

La présente étude s'intéresse à un écoulement d'acoustic streaming, c'est-à-dire un écoulement généré par la propagation d'une onde acoustique dans un fluide. Le travail consiste à comparer deux approches: expérimentale et numérique. Les ultrasons sont émis à 2MHz par un transducteur piézo-électrique de 28.5mm de diamètre. Ce dernier est plongé dans une cuve d'eau équipée de deux parois absorbantes: l'une sert à séparer le champ proche du champ lointain et l'autre est placée à l'extrémité du domaine fluide afin d'éviter toutes réflexions. On réalise ainsi une étude en champ proche et une étude en champ lointain. Les mesures sont de deux types: champ de pression acoustique (hydrophone) et champ de vitesse (PIV). En parallèle, on effectue des simulations numériques directes avec le logiciel StarCCM+TM. Il s'agit de résoudre les équations de Navier-Stokes en fluide incompressible complétées d'un terme source de force acoustique. L'expression de ce dernier est obtenue par séparation des échelles de temps, ce qui consiste à négliger à l'échelle de temps acoustique les variations temporelles lentes, de l'écoulement généré. La démarche est ensuite analogue à celle utilisé en turbulence pour le calcul des tenseurs de Reynolds. On obtient finalement un bon accord entre les résultats expérimentaux et ceux de la modélisation numérique. / Acoustic streaming, i.e. the flow induced by a propagating acoustic wave, is investigated here with both experiental and numerical approaches. The ultrasound source is a 2MHz transducer with a 29mm diameter. The transducer is introduced inside a water tank with two absorbing walls. An intermediate absorbing wall is used to separate the near field from the far field. An other absorbing wall is placed in the opposite side to teh source to avoid reflective waves. Both near field and far field are studied. The measurements concern the acoustic pressure field (hydrophone) and the velocity field (PIV). Numerical simulations are also performed with the software STARCCM+TM. They solve the incompressible Navier-Stokes equations with an acoustic force source term. Ths term is obtained by time scale separation: the slow variations of the flow are neglected on an acoustic time scale with regard to the fast variations of the acoustic field. The procedure is then similar to that used in turbulence for Reynolds stress calculation. A good agreement is eventually obtained between the experimental and numerical results.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique. / Non-thermal plasmas generated in air at atmospheric pressure have numerous potential applications due to their non-equilibrium chemistry and ease of use. Their main advantages lie in the cost-efficient production of reactive and charged species compared to that of equilibrium chemistry. The aim of this thesis is to combine nanosecond repetitively pulsed discharges (NRP) with a microscale geometry. Using this combination, we seek to reduce the excessive heat release of NRP sparks, while nonetheless reaching high densities of reactive species and electrons. This work is comprised of three main parts. Our first goal is to study the breakdown phase, in which energy is deposited and charged species are produced. We employ both electrical characterization and optical emission spectroscopy in order to show that the NRP microplasma fully ionizes and dissociates the gas. The second part consists of the study of the recombination phase, in which the produced species recombine or survive. Results show that three-body recombination can explain the electron lifetime in this phase. Finally, we study the transport of plasma chemical species from the microplasma to a DC-biased conductive plate representing a substrate. By applying a voltage to this third electrode, we drive an electro-thermal plume via an ionic wind from the microplasma to the plate. This flow is investigated mainly by particle image velocimetry as well as Schlieren imaging. This work shows the capability of NRP microplasmas to produce high densities of reactive and charged species and transport them to a surface using an electrohydrodynamic plume.

Les caméras infrarouges modernes permettent d’accéder à la mesure de champs thermiques et de leur évolution temporelle. Le traitement d’images obtenues permet d’analyser la signature thermique d’objets mobiles ou de fluides en écoulement. Dans ce contexte nous avons fait l’étude de trois expériences différentes. La première consiste à suivre des billes mobiles et à évaluer leurs coefficients d’échanges thermiques avec l’environnement par l’estimation de temps caractéristiques. Dans le deuxième cas, nous faisons une comparaison entre deux fluides qui s’écoulent dans un microcanal, afin de déterminer les variations relatives des propriétés thermiques. La dernière application consiste à réaliser une cartographie de diffusivité thermique avec une source de chaleur mobile. / The modern infrared cameras allow the measurement of thermal fields and their temporal evolution. Infrared images processing is suitable to analyze the thermal signature of moving objects or fluid flows. In this context, we made the study of three different experiments. The first one is relative to infrared tracking of randomly moving balls and then estimate their thermal exchanges with the environment by the estimation of some characteristic time. In the second case we made a comparison between two fluids which flow inside a microchannel in order to determine the relative changes of thermal properties. The last application was to estimate a thermal diffusivity field with a mobile heat source.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange. / This work proposes an experimental analysis of the spatio-temporal development of an air/heliummixing zone promoted by the Richtmyer-Meshkov instability (RMI). This study relies on the useof a vertical shock tube and on the development of a new experimental protocol associated with aninnovative device for the generation of an initial interface between two gazeous species. This deviceconsists a rigid retractable curtain and of a series of rotating shutters. The characterization ofthis initial interface and the spatio-temporal evolution of the RMI-induced mixing zone is carriedout by exploiting the results of various experimental methods such as time resolved Schlierenvisualizations, planar laser mie scattering and Particle Image Velocimetry (PIV). In a first step,various measurement campaigns have made it possible to quantify the repeatability of the newdevice and to demonstrate its ability to generate a periodic, weakly diffused interface. In a secondstep, a study of the gaseous mixing for a given set of experimental parameters is proposed. Theanalysis focuses on the understanding of the underlying mechanisms driving the gaseous interfaceformation and the transition to turbulence of the RMI-induced mixing. The interaction betweenthis mixing zone and the reflected shock from the upper end of the tube (re-shock phenomenon)is also studied in order to confirm the turbulent transition of the mixing zone.