Lors du traitement en poche de l'acier liquide, les inclusions sont transportées vers l'interface métal liquide/laitier où elles sont capturées. Près de l'interface, le mouvement des inclusions est ralenti sous l'effet des interactions hydrodynamiques avec celle-ci. Afin d'étudier ces interactions, deux maquettes froides ont été mises en œuvre, où les inclusions sont modélisées par des billes millimétriques de densité intermédiaire entre celles de deux liquides transparents. Ces dispositifs nous ont permis de mesurer les variations du coefficient de frottement fen fonction de d/R (d est la distance du centre de la bille à l'interface non déformée et R est le rayon de la bille) pour différentes valeurs du nombre de Bond particulaire Bop, du rapport de différences de densités β et du rapport de viscosités λ. Lorsque d⁄(R>2), les points expérimentaux sont en accord avec le modèle de Bart pour une interface indéformable. fdépend fortement de λ et faiblement de  et Bop.Lorsque d⁄(R≤2), on distingue deux modes de relaxation vers l'équilibre. Lorsque 〖Bo〗_p≪1, la déformation reste faible et le régime de Bart est suivi par le régime de Taylor où (f~R)⁄h (h est l'épaisseur du film de liquide séparant la particule de l'interface). Lorsque 〖Bo〗_p≳1, l'interface se déforme significativement pour atteindre localement la courbure de la bille et le drainage du film s'effectue en régime de Reynolds où f~(R⁄h)^3. Les variations de 1/f en fonction de l'écart à l'équilibre présentent une inflexion que nous attribuons à la transition vers le régime de Reynolds et qui apparaît d'autant plus tôt lors de la relaxation vers l'équilibre que λ est élevé. Dans le régime de transition, fne dépend que de l'écart à la position d'équilibre et de λ. En régime de Reynolds, fest une fonction croissante de λ, 〖Bo〗_p et β, en accord avec le modèle de drainage de Hartland.

Le groupe de recherche CAMUS de l'Université de Sherbrooke a conceptualisé et breveté en 2011 une nouvelle architecture de turbine à gaz nommé SRGT (Supersonic Rim-Rotor Gas Turbine). Aucune démonstration expérimentale n’a encore permis d’évaluer ses performances. Ce projet de maitrise consiste donc à l’analyse de la dynamique des gaz d’une turbomachine de type SRGT afin d’évaluer la possibilité de générer de la puissance nette positive en régime permanent. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir les composantes aérodynamiques d’une turbine à gaz SRGT en mode supersonique et de caractériser l’écoulement sur toute la plage d’opération du moteur. Ainsi, on pourra évaluer le potentiel de cette technologie et la pertinence de continuer le développement vers un produit futur. L’évaluation des performances aérodynamiques des composantes du moteur a été effectuée selon un modèle analytique 1D généralisé des écoulements compressibles et selon l’analyse des triangles des vitesses. Des simulations numériques par la méthode de la mécanique des fluides numérique (CFD) ont permis de valider le modèle analytique du moteur. Le point d’opération du moteur (vitesse du moteur de 125 000 rpm, débit massique d’air de 130 g/s, rapport de pression du compresseur de 2.75 et température maximum à l’entrée de la turbine de 1000 K) a été sélectionné afin de produire une puissance nette de plus de 1 kW. Un prototype a été fabriqué et mis en fonction sur un banc de test développé spécialement pour le moteur. L’expérimentation a démontré que le compresseur peut fournir un rapport de pression de plus de 1.35 à 100 krpm pour un débit massique d’air supérieur à 50 g/s. La carte de performance du compresseur a été obtenue expérimentalement ainsi que ses limites d’opérations (limite de blocage et de pompage) pour des vitesses jusqu’à 90 krpm. Des tests d’allumage ont démontré que le moteur avait un gain de puissance de plus de 1 kW durant sa phase d’accélération, bien que la puissance nette du moteur reste négative. La caractérisation de la turbine n’a pas pu révéler si sa conception était adéquate en mode supersonique. L’expérimentation du prototype n’a pas permis de valider si le moteur peut produire une puissance nette positive en régime permanent.

Aujourd'hui divers systèmes de propulsion marins existent dont les systèmes de propulsion à jet. De nombreuses études ont été réalisées au cours des vingt dernières années et plus particulièrement par le biais de la simulation numérique ( Computational Fluid Dynamics , ( CFD )). Un modèle numérique simulant l'écoulement au travers un système de propulsion avec une pompe en rotation est développé dans ce projet. Il est également validé avec des résultats expérimentaux obtenus par d'autres chercheurs. Pour se [i.e. ce] faire, différentes étapes sont réalisées. En premier lieu, des paramètres tels que le maillage, le modèle de turbulence ou la modélisation de la rotation du rotor sont validés numériquement sur deux géométries. Le premier cas, bien documenté, correspond à un écoulement au travers une conduite en forme de"S" de section divergente et validé expérimentalement. Le second cas est une pompe où le rotor est en mouvement dans l'écoulement. Un modèle à multiple systèmes de référence ( Multiple Reference Frame,MFR ) est utilisé pour simuler la rotation de la pompe. Les paramètres numériques sont alors fixés pour la suite de l'étude. Ensuite un inodéle numérique d'un système de propulsion à jet d'une motomarine est développé dans un volume de contrôle réduit. Il prend en compte l'ensemble de la géométrie de la propulsion : la pompe en rotation, le venturi et une partie de la coque réelle du véhicule. Les conditions aux frontières sous la coque sont imposées grâce aux données d'une simulation complète du véhicule entier. Ce modèle est validé expérimentalement à deux vitesses (25 mph et 69 mph). Le comportement de l'écoulement est ensuite analysé. Finalement diverses variations géométriques sont effectuées telles que la supression [i.e. suppression] d'appendices dans la conduite ou le déplacement latéral de la lèvre de l'entrée d'eau à divers IVR, Inlet Velocity Ratio (rapport entre la vitesse du véhicule et celle de la pompe). Une augmentation des performances du système est observée à un certain IVR pour une supression [i.e. suppression] d'appendice donnée. La présence d'une plaque permettant le redressement de l'écoulement au niveau de la grille est néfaste à la poussée de même que la présence de l'arbre ou d'ailettes situées à l'entrée de la pompe. Le déplacement de la lèvre a pour objectif de déterminer la position optimale qui permet d'obtenir la meilleure augmentation de performance pour un IVR .

Depuis une vingtaine d’années, l’engouement pour les propulsions hydrojets n’a fait que croître et elles s’imposent aujourd’hui comme la propulsion marine incontournable pour les hautes vitesses. Dans un même temps, un outil permettant un gain considérable de temps et d’argent s’est lui aussi développé considérablement. En effet, la CFD (Computational Fluid Dynamics) est devenue une pratique courante lorsqu’il s’agit de prévoir le comportement d’un écoulement sans avoir à passer par un modèle réel. Elle sera utilisée tout au long du projet pour simuler le flux au travers de la propulsion. Le design d’une entrée d’eau est capital : une entrée d’eau mal conçue engendrera des zones de cavitation, de la recirculation sur la lèvre ou la rampe, des pertes importantes et un champ de vitesse non uniforme à la face de la pompe. Il en résultera une diminution du rendement de l’entrée, mais aussi une diminution du rendement de la pompe, puisqu’optmisée pour un flux uniforme. L’objectif de ce projet sera d’optimiser l’entrée d’eau pour augmenter le rendement global de la propulsion et ainsi réduire la consommation d’essence de 6 % sur un cycle donné. Actuellement, les conduites d’entrées sont conçues pour optimiser une vitesse de croisière moyenne. Dans ce projet, le but sera d’éviter d’avoir un compromis à faire entre les basses vitesses, la vitesse de croisière et la vitesse de pointe, et d’optimiser la géométrie de l’entrée pour une large plage de fonctionnement. Cela passe par une géométrie variable et donc un mécanisme asservi. Afin de concevoir un tel système, il sera nécessaire de trouver les géométries optimales pour les différents régimes de fonctionnement. Une étude CFD 2D paramétrable permettra de trouver les lignes directrices de ces géométries. Un modèle 3D devra ensuite être validé, puis utilisé pour pouvoir affiner les géométries optimales. Un système sera alors conçu puis testé sur le modèle CFD. Des tests expérimentaux viendront finaliser l’étude.

<p align="justify">This work is a theoretical contribution to the study of thermo-hydrodynamic instabilities in fluids submitted to surface-tension (Marangoni) and buoyancy (Rayleigh) effects in layered (Benard) configurations. The driving constraint consists in a thermal (or a concentrational) gradient orthogonal to the plane of the layer(s).</p> <p align="justify">Linear, weakly nonlinear as well as strongly nonlinear analyses are carried out, with emphasis on high Prandtl (or Schmidt) number fluids, although some results are also given for low-Prandtl number liquid metals. Attention is mostly devoted to the mechanisms responsible for the onset of complex spatio-temporal behaviours in these systems, as well as to the theoretical explanation of some existing experimental results. </p> <p align="justify">As far as linear stability analyses (of the diffusive reference state) are concerned, a number of different effects are studied, such as Benard convection in two layers coupled at an interface (for which a general classification of instability modes is proposed), surface deformation effects and phase-change effects (non-equilibrium evaporation). Moreover, a number of different monotonous and oscillatory instability modes (leading respectively to patterns and waves in the nonlinear regime) are identified. In the case of oscillatory modes in a liquid layer with deformable interface heated from above, our analysis generalises and clarifies earlier works on the subject. A new Rayleigh-Marangoni oscillatory mode is also described for a liquid layer with an undeformable interface heated from above (coupling between internal and surface waves).</p> <p align="justify">Weakly nonlinear analyses are then presented, first for monotonous modes in a 3D system. Emphasis is placed on the derivation of amplitude (Ginzburg-Landau) equations, with universal structure determined by the general symmetry properties of the physical system considered. These equations are thus valid outside the context of hydrodynamic instabilities, although they generally depend on a certain number of numerical coefficients which are calculated for the specific convective systems studied. The nonlinear competitions of patterns such as convective rolls, hexagons and squares is studied, showing the preference for hexagons with upflow at the centre in the surface-tension-driven case (and moderate Prandtl number), and of rolls in the buoyancy-induced case.</p> <p align="justify">A transition to square patterns recently observed in experiments is also explained by amplitude equation analysis. The role of several fluid properties and of heat transfer conditions at the free interface is examined, for one-layer and two-layer systems. We also analyse modulation effects (spatial variation of the envelope of the patterns) in hexagonal patterns, leading to the description of secondary instabilities of supercritical hexagons (Busse balloon) in terms of phase diffusion equations, and of pentagon-heptagon defects in the hexagonal structures. In the frame of a general non-variational system of amplitude equations, we show that the pentagon-heptagon defects are generally not motionless, and may even lead to complex spatio-temporal dynamics (via a process of multiplication of defects in hexagonal structures).</p> <p align="justify">The onset of waves is also studied in weakly nonlinear 2D situations. The competition between travelling and standing waves is first analysed in a two-layer Rayleigh-Benard system (competition between thermal and mechanical coupling of the layers), in the vicinity of special values of the parameters for which a multiple (Takens-Bogdanov) bifurcation occurs. The behaviours in the vicinity of this point are numerically explored. Then, the interaction between waves and steady patterns with different wavenumbers is analysed. Spatially quasiperiodic (mixed) states are found to be stable in some range when the interaction between waves and patterns is non-resonant, while several transitions to chaotic dynamics (among which an infinite sequence of homoclinic bifurcations) occur when it is resonant. Some of these results have quite general validity, because they are shown to be entirely determined by quadratic interactions in amplitude equations.</p> <p align="justify">Finally, models of strongly nonlinear surface-tension-driven convection are derived and analysed, which are thought to be representative of the transitions to thermal turbulence occurring at very high driving gradient. The role of the fastest growing modes (intrinsic length scale) is discussed, as well as scalings of steady regimes and their secondary instabilities (due to instability of the thermal boundary layer), leading to chaotic spatio-temporal dynamics whose preliminary analysis (energy spectrum) reveals features characteristic of hydrodynamic turbulence. Some of the (2D and 3D) results presented are in qualitative agreement with experiments (interfacial turbulence).</p>

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN / The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model

L'implantation dans l'industrie de la photocatalyse nécessite de nouvelles recherches afin de contrôler et dimensionner les réacteurs photocatalytiques. Une solution innovante concerne la microstructuration des réacteurs. En effet, elle permet d'augmenter l'efficacité catalytique en améliorant le contact du polluant avec le catalyseur. L'objectif de la thèse concernait la destruction d'un polluant modèle, l'acide salicylique, par un catalyseur (TiO2) déposé au fond d'un microcanal. La recherche repose sur des expérimentations mais aussi sur des simulations permettant de prévoir la dégradation photocatalytique pour une configuration de réacteur donnée. Dans nos conditions expérimentales de faible débit, nous avons mis en évidence une dispersion axiale et un gradient de concentration entre la surface catalytique et le milieu réactionnel. En tenant compte des conditions d'écoulement, nous avons montré que le gradient de vitesse est plus marqué dans les microréacteurs de faible section de passage. Ce gradient favorise la formation de zones de recirculation près de la surface catalytique créant ainsi des conditions favorables au contact entre le polluant et la surface catalytique. A l'aide d'un logiciel numérique, nous avons simulé la réaction de dégradation photocatalytique qui permet de rendre compte de nos résultats expérimentaux. D'une part, le rôle primordial de la diffusion vers la surface catalytique a été mis en évidence. D'autre part, la simulation numérique nous a permis d'établir la relation du nombre de Sherwood en fonction des nombres de Reynolds, de Schmidt et du diamètre hydraulique du microcanal. Cette relation permet d'estimer la constante de transfert de matière pour représenter correctement la dégradation quel que soit le type de microréacteur envisagé / Industrial photocatalysis applications requires further research to control and design photocatalytic reactors. The micro structuring of reactors is an innovative solution. It increases the catalytic efficiency by improving the contact of the pollutant with the catalyst. Thesis aim concerned the destruction of a model pollutant, salicylic acid, with deposited catalyst (TiO2) at the bottom of a microchannel. The research is based on experiments and simulations to predict the photocatalytic degradation for a given reactor configuration. In our experimental conditions of low flow, an axial dispersion and a concentration gradient between the catalyst surface and the reaction medium have been demonstrated. We have shown that the gradient of velocity is more pronounced in low cross section microreactors. This gradient allows the formation of recirculation zones near the catalytic surface thus creating favorable conditions for contact between the pollutant and the catalytic surface. Using numerical soft, we have simulated the reaction of photocatalytic degradation to represent our experimental results. On a one hand, the role of diffusion to the catalytic surface has been demonstrated. On the other hand, numerical simulation has allowed to establish a relationship between the Sherwood number as a function of Reynolds number, Schmidt and the hydraulic diameter of the microchannel. This relationship is used to estimate the mass transfer constant to represent correctly the photocatalytic degradation

Les avions rencontrent de nombreuses conditions d’opérations au cours de leurs vols, comme le nombre de Mach, l’altitude et l’angle d’attaque. Leur prise en compte durant la conception améliore la robustesse du système et finalement la consommation des flottes d’avions. L’optimisation de formes aérodynamiques contribue à la conception des avions, et repose sur l’automatisation de la génération de géométries ainsi que la simulation numérique de la physique du vol. La minimisation de la trainée des formes aérodynamiques doit prendre en compte de multiples conditions d’opération, étant donne que l’optimisation a une unique condition de vol mène a des formes dont la performance se dégrade fortement quand cette condition de vol est perturbée. De plus, la flexibilité structurelle déforme les ailes différemment selon la condition de vol, et doit donc être simulée lors de telles optimisations. Dans cette thèse, la minimisation de la consommation de carburant au cours d’une mission est formulée en problème d’optimisation. Une attention particulière est apportée au choix des conditions d’opérations à inclure dans le problème d’optimisation, étant donne que celles-ci ont un impact majeur sur la qualité des résultats obtenus, et que le cout de calcul est proportionnel à leur nombre. Un nouveau cadre théorique est proposé pour adresser cette question, offrant un point de vue original et surmontant des difficultés révélées par les méthodes a l’état-de-l’ art en matière de mise en place de problèmes d’optimisation multipoints. Un algorithme appelé Gradient Span Analysis (GSA), est proposé pour automatiser le choix des conditions d’opération. Il est base sur la réduction de dimension de l’espace vectoriel engendre par les gradients adjoints aux différentes conditions de vol. Des contributions de programmation a la chaine d’optimisation ont permis d’évaluer les méthodes aux optimisations du profil académique RAE2822 et de la configuration voilure-fuselage XRF-1, représentative des avions de transport modernes. Alors que les formes résultant d’optimisation mono-point présentent de fortes dégradations de performance hors du point de conception, les optimisations multipoints adéquatement formulées fournissent de bien meilleurs compromis. Il est finalement montre que les interactions fluide-structure ajoutent de nouveaux degrés de liberté, et ont un impact sur les optimisations en de multiples conditions de vol, ouvrant des perspectives en matière d’adaptation passive de forme. / An aircraft encounters a wide range of operating conditions during its missions, i.e. flight altitude, Mach number and angle of attack, which consideration at the design phase enhances the system robustness and consequently the overall fleet consumption. Numerical optimization of aerodynamic shapes contributes to aircraft design, and relies on the automation of geometry generation and numerical simulations of the flight physics. Minimization of aerodynamic shapes drag must take into account multiple operating conditions, since optimization at a single operating condition leads to a strong degradation of performance when this operating condition varies. Besides, structural flexibility deforms the wings differently depending on the operating conditions, so has to be simulated during such optimizations. In the present thesis, the mission fuel consumption minimization is formulated as an optimization problem. The focus is made on the choice of operating conditions to be included in the optimization problem, since they have a major impact on the quality of the results, and the computational cost is proportional to their number. A new theoretical framework is proposed, overcoming and giving new insights on problematic situations revealed by state-of-the-art methods for multipoint optimization problem setup. An algorithm called Gradient Span Analysis is proposed to automate the choice of operating conditions. It is based on a reduction of dimension of the vector space spanned by adjoint gradients obtained at the different operating conditions. Programming contributions to the optimization chain enabled the evaluation of the new method on the optimizations of the academic RAE2822 airfoil, and the XRF-1 wing-body configuration, representative of a modern transport aircraft. While the shapes resulting of single-point optimizations present strong degradations of the performance in off-design conditions, adequately formulated multi-Machmulti- lift optimizations present much more interesting performance compromises. It is finally shown that fluid-structure interaction adds new degrees of freedom, and has consequences on multiple flight conditions optimizations, opening the perspective of passive shape adaptation.

Ce travail porte sur l’étude de l’évaporation d’une goutte présentant une interface liquide/gaz complexe. Nous choisissons de nous focaliser sur deux manières différentes dont cette interface peut se complexifier, par interaction avec une phase solide :soit la phase solide constitue le support sur lequel repose la goutte, soit la phase solide se situe au sein même de la goutte. En particulier, nous nous intéressons à l’étude de l’évaporation de gouttes sessiles sur des surfaces géométriquement texturées ainsi qu’à l’étude de l’évaporation de gouttes en suspension contenant des composés non volatils.Tout d’abord, nous étudions les dynamiques d’évaporation de gouttes d’un liquide complètement mouillant et très volatil déposées sur des surfaces géométriquement texturées mais chimiquement homogènes. La texturation de la surface consiste en un réseau de piliers circulaires organisés selon un schéma carré, construits par photolithographie de façon à pouvoir contrôler la rugosité de la surface. La dynamique de la ligne de contact et la forme de la goutte sont caractérisées par interférométrie. Une étude paramétrique est réalisée en faisant varier les paramètres géométriques de la texturation de surface, typiquement le rayon et la hauteur des piliers (en gardant la distance inter-piliers fixe). L’étude met en évidence trois types de dynamiques en fonction de la valeur de ces para- mètres géométriques :i) un régime dominé par l’évaporation, avec une ligne de contact en récession pendant toute la durée de l’évaporation de la goutte ;ii) un régime dominé par l’étalement, avec un rayon initialement croissant pendant le début de l’évaporation ;iii) une situation intermédiaire avec des effets d’accrochage de la ligne de contact importants. Un modèle mathématique est développé, qui met en évidence l’influence de la géométrie de la texturation de surface sur la compétition entre les phénomènes d’étalement et d’évaporation de la goutte. Le modèle parvient à reproduire qualitativement les résultats expérimentaux, montrant que le choix entre les deux régimes extrêmes dépend de la valeur d’un paramètre adimensionnel, qui compare les temps caractéristiques d’évaporation et d’étalement au sein de la texturation de surface. Des lois d’échelles sont aussi mises en évidence, à la fois expérimentalement et théoriquement.Ensuite, nous nous intéressons à l’évaporation de gouttes au sein d’un séchoir par atomisation, dans le cas particulier de la microencapsulation de polyphénols. Cette situation appliquée repose sur l’évaporation de gouttes en suspension contenant deux composés non volatils dissous. Une étude expérimentale de microencapsulation de polyphénols par atomisation est réalisée à l’échelle du laboratoire. Nous observons l’influence des paramètres opératoires (proportion en masse du composé d’intérêt et de l’agent encapsulant dans la solution initiale, débit de liquide, vitesse et température du gaz de séchage) sur l’efficacité du procédé et sur les caractéristiques de la poudre obtenue (taille et morphologie des grains, contenu en eau, conservation de l’activité phénolique). Sur le plan théorique, l’évaporation de ces gouttes est caractérisée grâce à des modèles existants permettant de déterminer la température de la goutte et son temps d’évaporation, ainsi que la dynamique des composés non volatils au sein de la goutte au cours du temps. De plus, une méthode d’évaluation de l’efficacité de la chambre de séchage est proposée, qui repose sur la comparaison entre le temps d’évaporation des gouttes et leur temps de parcours au sein de la chambre. Ces différents modèles sont en accord avec les résultats expérimentaux obtenus et permettent notamment de donner des conseils pour la conception et le dimensionnement de séchoirs par atomisation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished