La biomasse est une des sources importantes d'énergie primaire et renouvelable. Le développement d'un procédé basé sur la conversion de celle-ci en énergie tout en demeurant respectueux de l'environnement, fait l'objet de recherches intenses aussi bien dans les mondes académique qu'industriel. La gazéification pour produire un gaz de biosynthèse est considérée comme une des options les plus prometteuses via la valorisation des sources de résidus de biomasse. La thermodynamique et la cinétique intrinsèque imposent que les réactions de gazéification de la biomasse doivent être effectuées à des températures élevées, exigeant la fourniture et la récupération de chaleur de manière efficace. Le concept de gazéification allotherme (par opposition à son pendant autotherme) offre une solution attrayante pour la mise en oeuvre à haute température du couplage de réactions fortement endothermique avec des réactions exothermiques. Toutefois, la mise en oeuvre pratique du concept sous haute température n'est pas aisée. Dans ce travail, un nouveau concept pour la gazéification de résidus de la biomasse est proposé impliquant l'hybridation de réactions à hautes températures de la gazéification et de la combustion dans un réacteur monolithique structuré. Clairement, le design et l'optimisation de ce nouveau procédé hybride requiert la compréhension précise, non seulement des phénomènes physico-chimiques de la conversion thermochimique de la biomasse, mais aussi du comportement hydrodynamique, complexe, des deux phases mises en oeuvre dans un microréacteur monolithique à lit fluidisé. À cet égard, la caractéristique hydrodynamique de la distribution des écoulements des phases gaz-solide au sein du réacteur revêt une importance cruciale pour la prédiction du comportement des processus de gazéification/combustion et pour l'examen de stratégies d'opération du procédé. En particulier, en raison de la nature complexe de l'interaction entre le gaz et les particules solides ainsi que la phase stationnaire représentée par le microréacteur monolithique, un des défis dans le design et l'opération de ces réacteurs est la prévention de la maldistribution des phases. Dans ce travail, la mécanique des fluides numériques (MFN) est mise à profit comme outil de simulation permettant d'explorer les distributions des écoulements gaz-solide dans un réacteur monolithique. L'ensemble des sections structurée 111 (le monolithe) et les parties terminales non-structurées (lits fixes aléatoires permettant l'alimentation et l'évacuation de la suspension gaz-solide) est globalement considéré dans la simulation afin de capturer les tendances lourdes des mécanismes contribuant à la dynamique gaz-solide. Les résultats des simulations ont démontré la capacité de la MFN à capturer la caractéristique de non-uniformité de l'écoulement dans ce type de géométrie

Les systèmes flottants de production, stockage et de déchargement (FPSO) ont été introduits dans les secteurs d'exploitation des hydrocarbures offshore en tant qu'outils facilement déplaçables pour l’exploitation de champs de pétrole et de gaz de petites ‘a moyenne tailles ou lorsque ceux-ci sont éloignés des côtes ou en eaux profondes. Ces systèmes sont de plus en plus envisagés pour les opérations de traitement et de raffinage des hydrocarbures à proximité des sites d'extraction des réservoirs sous-marins en utilisant des laveurs et des réacteurs à lit fixe embarqués. De nombreuses études dans la littérature pour découvrir l'hydrodynamique de l'écoulement polyphasiques dans des lits garnis ont révélé que la maîtrise de tels réacteurs continue d’être un défi quant à leur conception /mise à l'échelle ou à leur fonctionnement. De plus, lorsque de tels réacteurs sont soumis à des conditions fluctuantes propres au contexte marin, l'interaction des phases devient encore plus complexe, ce qui entraîne encore plus de défis dans leur conception. Les travaux de recherche proposés visent à fournir des informations cruciales sur les performances des réacteurs à lit fixes à deux phases dans le cadre d'applications industrielles flottantes. Pour atteindre cet objectif, un simulateur de mouvement de navire de type hexapode avec des mouvements à six degrés de liberté a été utilisé pour simuler les mouvements des FPSO tandis que des capteurs à maillage capacitif (WMS) et un tomographe à capacitance électrique (ECT) couplés avec le lit garni ont permis de suivre en ligne les caractéristiques dynamiques locales des écoulements diphasiques. L'effet des inclinaisons et des oscillations de la colonne sur le comportement hydrodynamique des lits garnis biphasiques a été étudié, puis les résultats ont été comparés à leurs analogues terrestres correspondants (colonne verticale immobile). De plus, des stratégies opérationnelles potentielles ont été proposées pour atténuer la maldistribution des fluides résultant des oscillations du lit ainsi que pour intensifier le processus de réactions dans les réacteurs à lit fixe. Parallèlement aux études expérimentales, un modèle Eulérien CFD transitoire 3D a été développé pour simuler le comportement hydrodynamique de lits garnis polyphasiques sous des inclinaisons et des oscillations de colonnes. Enfin, pour compléter le travail expérimental, une étude systématique a été réalisée pour étudier les performances de capture de CO2 à base d'amines d’un laveur à garnissage (en vrac et structuré) émulant une colonne à bord des ... / Floating production storage and offloading (FPSO) systems have been introduced to offshore hydrocarbon exploitation sectors as readily movable tools for development of small or remote oil and gas fields in deeper water. These systems are increasingly contemplated for onboard treatment and refining operations of hydrocarbons extracted from undersea reservoirs near extraction sites using embarked packed-bed scrubbers and reactors. Numerous efforts in the literature to uncover the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds have disclosed that such reactors continue to challenge us either in their design/scale-up or their operation. Furthermore, when such reactors are subjected to marine conditions, the interaction of phases becomes even more complex, resulting in further challenges for design and scale-up. The proposed research aims at providing important insights into the performance of two-phase flow packed-bed reactors in the context of floating industrial applications. To achieve this aim, a hexapod ship motion simulator with six-degree-of-freedom motions was employed to emulate FPSO movements while capacitance wire mesh sensors (WMS) and electrical capacitance tomography (ECT) coupled with the packed bed scrutinized on-line and locally the two-phase flow dynamic features. The effect of column tilts and oscillations on the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds was investigated and then the results were compared with their corresponding onshore analogs. Moreover, potential operational strategies were proposed to diminish fluid maldistribution resulting from bed oscillations as well as for process intensification of heterogeneous catalytic reactions in packed-bed reactors. In parallel with the experiment studies, a 3D transient Eulerian CFD model was developed to simulate the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds under column tilts and oscillations. Ultimately, a systematic experimental study was performed to address the amine-based CO2 capture performance of packed-bed scrubbers on board offshore floating vessels/platforms. Apart from gaining a comprehensive knowledge on the influence of translational and rotational movements on multiphase flows in porous media, oil and gas sectors and ship industry would benefit from the results of this work for design and scale-up of industrial reactors and scrubbers. / Unité flottante de production, de stockage et de déchargement

Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Ce mémoire vise à identifier et caractériser les phénomènes d'écoulement dans le cône de la turbine modèle à moyenne chute opérée en marche à vide à la vitesse de synchronisation et installée au laboratoire Heki de l'Université Laval. Avec peu de recherches réalisées sur le régime en marche à vide et des machines fonctionnant de plus en plus dans ce régime, le mémoire aidera l'industrie à comprendre par quels mécanismes la machine est endommagée par le régime en marche à vide. Les mesures expérimentales ont utilisé la vélocimétrie par image de particules stéréoscopique dans un plan radial-axial du diffuseur conique. Les mesures étaient calées sur la position de la roue de turbine de façon verrouillé en phase). Cette méthode de mesure a été appliquée à deux hauteurs dans le diffuseur conique pour couvrir la majeure partie de sa hauteur. Les phases mesurées sont équidistantes d'un intervalle de 6° et couvrent 360°. Pour la section de mesure supérieure, une résolution plus fine de 3° a été utilisée entre les phases 300° et 360°. La structure d'écoulement globale discutée dans la littérature s'est avérée présente dans le modèle étudié et a été mis en évidence. Un débit à haute vitesse avec une grande vitesse tangentielle et axiale a été mesurée près de la paroi interne du cône. Une zone de recirculation avec des vitesses beaucoup plus faibles a été mesurée au centre du diffuseur. La couche de cisaillement mentionnée par quelques auteurs a été caractérisée par le calcul des composantes de cisaillement. L'écoulement s'est avéré ne pas être axisymétrique. Des traces de tourbillons inter-aubes dans le diffuseur conique ont été trouvées dans les mesures à moyenne de phase, comme cela avait été prédit par les simulations numériques. / This thesis aims to characterize the flow and identify flow phenomena in the draft tube of the Tr-Francis medium head model turbine operated at speed-no load and installed at the Heki laboratory at Laval University. With little research accomplished on the speed no-load regime and machines being operated increasingly in this regime, the thesis will help the industry understand by what mechanisms the machine is damaged by the no load regime. The experiments used stereoscopic particle image velocimetry in one radial-axial plane of the conical diffuser. The measurements were locked on the position of the turbine runner (phase-locked). This measurement method was applied at two heights in the conical diffuser to cover most of its height. The measured phases are equally spaced at an interval of 6° and cover 360°. For the upper measurement section, a finer resolution of 3° was used between phases 300° and 360°. The global flow structure discussed in the literature was found to be present in the studied model. A high velocity throughflow with a large tangential and axial velocity was measured near the diffuser's inner wall. A recirculation zone with much lower velocities was measured at the center of the diffuser. The shear layer mentioned by a few authors was characterised by calculating shear strain components. The flow was found not to be axisymmetric. Traces of inter-blade vortices in the draft tube were found in the phase-averaged measurements as was predicted by the numerical simulations.

Nous présentons la généralisation d'un modèle de dépôt de particules aux écoulements non isothermes. Ce travail comporte deux parties. La première partie présente l'approche de modélisation lagrangienne stochastique adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le cœur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi destiné au transport des particules au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les deux modèles. La validation du couplage s'effectue par le passage en particules fluides, il s'agit de vérifier que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. En effet, des accumulations non physiques de particules fluides peuvent se produire autour de l'interface. Le travail de couplage a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le modèle reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Cependant, dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons donc choisi d'intégrer la modélisation de la thermophorèse dans le Modèle de Proche Paroi afin d'évaluer au mieux le taux de dépôt de particules dans un écoulement non isotherme. Nous commençons par étudier la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie de ce document est donc consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le Modèle de Proche Paroi. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt de particules en présence d'un gradient de température dans un milieu liquide.

Blood is a complex suspension of deformable particles, red blood cells, which exhibits a sophisticated dynamics when flowing in the microvasculature. Most of these complex phenomena, non-linear rheology, structuration of the suspension, heterogeneities of the hematocrit distribution, are directly connected to the rich microscopic dynamics of individual red blood cells, and their hydrodynamics interactions. We investigate a few aspects of the dynamics of red blood cells and giant vesicles - a simple model for RBCs. A study on the dynamics of very deflated vesicles, with shapes similar to those of red blood cells, shows that these objects which haven't received a lot of attention so far can exhibit richer than expected dynamics. We then mainly focus on the still unexplored problem of hydrodynamic interactions between vesicles or red blood cells and their consequences at the scale of the suspension. An experimental study of the interaction of two identical vesicles in shear flow shows that there is a net repulsion between the cells that leads to an increase of the distance between vesicles in a suspension. Scaling arguments are proposed for this interaction and a comparison with numerical results is performed and a quantitative estimation of a shear induced diffusion coefficient obtained by averaging the results for pair interactions is found. Finally, we investigate the diffusion of a cloud of red blood cells in Poiseuille flow in order to directly determine diffusion coefficients. The experiment shows that the cloud widens when traveling along the channel with a power law behaviour indicating sub-diffusion. This effect is confirmed by a theoretical analysis of a few limit cases.

Ce mémoire est consacré à l'étude des effets des interactions hydrodynamiques sur le mouvement et le transport des particules sphériques et cylindriques dans les fluides non newtoniens. Des résultats importants ont été obtenus pour expliquer la physique des suspensions en fluide non newtonien. Le modèle non newtonien choisi est celui d'Ostwald car il décrit bien les effets de rhéofluidification et de rhéoépaississement qui caractérisent la plupart des fluides non newtoniens. Le premier résultat a été de montrer comment l'indice de fluidité affecte le comportement des suspensions par le biais de la longueur d'écran hydrodynamique autour de chaque particule. Ceci nous a permis de donner les bonnes valeurs de la traînée subie par chaque particule en milieu infini, et de montrer l'apparition du paradoxe de Whitehead dans le cas de la sphère à partir de n=2 et de Stokes dans le cas du cylindre à partir de n=1. Lorsque n est voisin de ces valeurs critiques, la détermination des forces hydrodynamiques devient très sensible à l'inertie. Le deuxième résultat important pour l'industrie de l'injection des matériaux composites, a été de montrer par une méthode inverse que les interactions hydrodynamiques pouvaient induire un retard plus ou moins important par rapport au cas newtonien dans le transport de particules. Le troisième résultat important pour l'analyse des processus d'agrégation de particules sphériques ou cylindriques a été obtenu dans le cas d'une particule sphérique ou cylindrique en sédimentation vers un plan fixe. Un calcul asymptotique dans le cas non newtonien en régime de lubrification, comparé avec succès à celui obtenu numériquement par la méthode de maillage dynamique, nous a permis d'obtenir les lois d'évolution de la force subie par ces particules entrant en contact avec un plan. Ces derniers résultats trouvent une application dans l'utilisation des machines dynamiques à force de surface dans le cadre de la nanorhéologie.

Dans ces travaux , nous avons deux principaux objectifs physique et numérique. Le problème physique consiste à trouver la solution de Rayleigh-Bénard pour des fluides newtoniens et non-newtoniens. Dans la présente étude, une présentation générale des résultats de la convection de Rayleigh-Bénard (RBC) est donnée dans le cas des fluides newtoniens et non-newtoniens tels que des fluides rhéofluidifiants modélisés par la loi puissance et des fluides viscoplastiques (fluides de Bingham, Herschel-Bulkley et Casson), en régime permanent et transitoire. Dans le cas des fluides viscoplastiques, les modèles macroscopiques ne prenant pas bien en compte la réalité physique de la contrainte seuil ont fait l'objet d'une modélisation. Un modèle mesoscopique proposé par Hébraud et Lequeux a été utilisé. Le problème numérique consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition) pour résoudre les modèles non linéaires couplés transitoires, dans le cas du problème de Rayleigh-Bénard. Cette méthode est également utilisée pour résoudre le problème RBC paramétrique en y ajoutant quelques variables physiques comme coordonnées supplémentaires. Par ailleurs, dans le cas des fluides non-newtoniens, nous avons utilisé la PGD pour résoudre les équations mesoscopiques et macroscopiques couplées.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d’un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb’Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence. / Virtual prototyping pneumatic circuits for power transmission, for example braking circuits of trucks, is still a difficulty because of the complexity of the flow behavior in transonic conditions and of the coupling between local and macroscopic scales. These problems are met during system design, control synthesis and for static and dynamic performance analysis. Tuning accurate numerical models requires important costs and time when compared to other systems. The methodology proposed in this PhD thesis relies on numerically determining a data base that characterizes the local and macroscopic behavior of a circuit component according the variation from a reference point of some physical or geometrical parameters. The data bases are obtained from the extrapolation of the Mean Navier Stokes solution (RANS) for a given reference point with the help of a parametrization software dedicated to fluid mechanics (Turb'Flow). The main contribution of this thesis relies io the analysis of the solution obtained from the parametrization in two different cases: the De Laval nozzle and un "elbow" connecting element, which are elementary component in a circuit. We have shown that these two "simple" cases lead already to important difficulties in term of problem parametrization and calculation of the derivatives of the aerodynamic fields because of the problem dimension. In order to tackle this, we proposed to reduce the spatial discretization (mesh derefining) and we showed that this approach could sometimes lead to damp or move some phenomena (shocks). The second contribution of this work relies on evaluating the quality of the extrapolated solution and their validity domain, and on building links between local and macroscopic behavior. Finally, we proposed a method that allows the mass flow rate characteristic of a component to be determined from the calculation of the extrapolated solution issued from a limited number of reference points.

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 toute réflexion. 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 utilisée 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.

Les phénomènes d'érosion sont une cause majeure dans la rupture des ouvrages hydrauliques tels que les digues ou les barrages. Le territoire compte 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Une approche plus générale est essentielle à une compréhension fine des phénomènes. La modélisation des mécanismes de l'érosion doit permettre l'élaboration de solutions pour sécuriser les ouvrages et les rendre moins sensibles à ces phénomènes. Ce travail est consacré à la modélisation d'une interface entre un milieu de sol et un milieu d'écoulement. Le mouvement de cette interface est régi par l'érosion du sol sous l'effet de l'écoulement. L'écoulement est calculé par les équations de Stokes munies d'un terme de pénalisation permettant la représentation unifiée des comportements des deux milieux. Dans une première partie, nous aborderons la problématique de la représentation de l'érosion. La seconde partie traite plus précisément de la représentation unifiée des comportements des milieux, notamment grâce à l'utilisation des méthodes de pénalisation. La troisième partie constitue une revue des principales méthodes permettant le suivit d'une interface. Une description précise de la méthode Level Set est donnée. Dans la quatrième partie, nous abordons la résolution numérique des équations d'écoulement. La cinquième partie rassemble l'ensemble des tests de la méthode. Enfin, la dernière partie est consacrée à l'application du modèle sur trois cas : le " Hole Erosion Test ", le phénomène de suffusion et l'érosion d'un lit de rivière autour d'une pile de pont.