Les ouvrages qui utilisent le sol compacte comme matériau de construction nécessitent d'un contrôle du compactage pendent le processus de compaction in situ. Généralement, ce contrôle est fait par essais normalises bases sur les valeurs de teneur en eau et de masse volumique du sol. Pour arriver à ces valeurs, les essais de contrôle sont soit couteux et dangereux ou bien ils demandent beaucoup de temps. Dans ce projet de maîtrise, une méthodologie simple de contrôle du compactage du sol in situ a été développée. Cette nouvelle méthodologie est fondée sur la lecture d'une sonde de teneur en eau enfoncée à la superficie du sol à analyser. La lecture est prise rapidement a I'aide d'un appareil portatif concis lie a la sonde. Une courbe de calibration est préparée en laboratoire particulièrement pour le sol en question et utilisée pour convertir la lecture de la sonde en teneur en eau volumique. Avec I'aide d'équations connues de la géotechnique, la teneur en eau volumique est transformée en masse volumique et conséquemment en teneur en eau massique. Ce mémoire de maîtrise présente le développement, la comparaison avec d'autres méthodes et l'application in situ et en laboratoire de cette méthodologie développée, dans un premier temps pour trois sols de caractéristiques géotechniques différentes. L'analyse des résultats de la méthodologie proposée est accomplie par comparaison avec d'autres méthodes de contrôle du compactage.

Les fluides pétroliers extraits de gisements ont des teneurs plus ou moins importantes en composés non souhaités tels que le dioxyde de carbone, l'hydrogène sulfuré ou autres produits soufrés. Ils doivent subir nombre de transformations et purifications. Le dimensionnement des unités correspondantes ne peut être bien optimisé que si l'on dispose de données fiables et précises d'équilibre de phases et de propriétés volumétriques et bien entendu d'une modélisation elle aussi fiable et précise. Le présent travail a été consacré en partie à des mesures de propriétés volumétriques sur trois mélanges binaires (éthane - hydrogène sulfuré, éthane - dioxyde de carbone et propane - hydrogène sulfuré). Ces mesures ont été réalisées à l'aide d'un appareillage, comportant un densimètre à tube vibrant (Anton Paar, modèle DMA 512), qui a été conçu et construit tout spécialement pour ce travail. L'étude menée sur la modélisation des propriétés volumétriques a permis de mettre en évidence l'inadéquation de l'usage classique des équations d'état cubiques pour représenter simultanément propriétés volumétriques et équilibres de phases. Parmi les équations d'état présentées, une attention particulière a toutefois été portée sur les équations d'état cubiques en raison de leur très grande utilisation dans le domaine pétrolier. Un moyen a été testé pour adapter les équations d'état cubiques à la représentation simultanée et satisfaisante des propriétés volumétriques et équilibres de phases : Il s'agit du couplage de l'équation d'état cubique de Soave-Redlich-Kwong avec une correction de volume par réseau de neurones.

Une étude expérimentale du développement de jets turbulents à masse volumique variable est menée. Les comportements axiaux et radiaux des propriétés statistiques moyennes et fluctuantes obtenues sur les champs de vitesse et de concentration sont analysés. Ces résultats apportent une meilleure compréhension des phénomènes de mélange et de l’effet de la variation de densité dans le but d’apporter des données complémentaires pour le développement des calculs numériques et accroître leurs précisions. Les cas étudiés dans cette thèse sont deux jets d’hélium marqués par de la vapeur d’acétone pour des nombres de Reynolds Re = 7000 et 11000 permettant d’explorer l’effet de fortes variations de masse volumique (S = 0,39 et 0,41, respectivement) par rapport à l’air ambiant. Le cas d’un jet d’air (Re = 16000) également porteur de vapeur d’acétone est utilisé comme cas de référence comparable au cas d’un contaminant passif avec S = 1,17. L’étude porte sur la région de proche sortie de jet, jusqu’à une distance de 40 fois le diamètre Dj de sortie du jet. La configuration adoptée est celle d’un jet de tube rond, libre, axisymétrique, vertical et ascendant dont le diamètre intérieur du tube est Dj = 3,5mm se développant dans l’air ambiant. La particularité de cette étude est la mise en œuvre d’un système de mesure par diagnostic optique qui permet un couplage spatial et temporel des mesures de vitesse et de concentration sur une région de l’écoulement de quelques cm2 et non sur un seul point. Pour ce faire, le couplage des mesures PIV, pour la mesure du champ de vitesse, et PLIF basée sur la fluorescence de la vapeur d’acétone, pour la mesure du champ de concentration, a été étudié, conçu et testé. Il nous a permis d’obtenir une base de données, encore trop rares aujourd’hui, sur l’évolution des flux turbulents croisés de vitesse et concentration. Ces données ont mis en évidence une évolution plus rapide du jet le plus léger. Cependant, les coefficients de corrélation semblent identiques lorsque l’on atteint la zone autosimilaire du jet. Une approche basée sur les probabilités de densité conjointes vitesse-concentration a permis de mettre en évidence des différences dans la région extérieure des jets, où l’intermittence de frontière donne son empreinte sur les propriétés du mélange. / An experimental study of the development of turbulent jets with variable density is presented. The axial and radial behaviours of the mean and fluctuating statistical properties obtained on the velocity and concentration fields are analysed. These results provide a better understanding of mixing phenomena and the effect of density variation in order to provide complementary data for the development of numerical calculations and to increase their precision. The cases studied in this thesis are two helium jets carrying acetone vapor for Reynolds numbers Re = 7000 and 11000 to explore the effect of large density variations (S = 0.39 and 0.41, respectively) relative to the ambient air. The case of an air jet (Re = 16000) also carrying acetone vapor is used as a reference case comparable to the case of a passive contaminant with S = 1.17. The study focuses on the region of near jet exit, up to a distance of 40 times the jet outlet diameter Dj. The adopted configuration is a round jet tube, free, axisymmetric, vertical and ascending whose internal diameter of the tube is Dj = 3.5 mm developing in the ambient air. The particularity of this study is the implementation of an optical diagnostic measurement system that allows a spatial and temporal coupling of speed and concentration measurements over a region of the flow of a few cm2. To do this, the coupling of the PIV measurements for the measurement of the velocity field and the PLIF based on the fluorescence of the acetone vapor for the measurement of the concentration field has been studied, designed and tested. It allowed us to obtain a database, still too rare today, on the evolution of the turbulent flow of speed and concentration. These data have shown a faster evolution of the lightest jet. However, the correlation coefficients appear to be identical when the self-similar zone of the jet is reached. An approach based on joint speed-concentration density probabilities has revealed differences in the outer region of the jets, where the intermittent boundary gives its imprint on the properties of the mixture.

La cuisson de produits céréaliers provoque des transformations physicochimiques dans la pâte pour lui conférer une structure, une texture, une forme, une couleur et un goût désirés. Un four pilote électrique avec circulation d'air chaud a été instrumenté pour suivre en continu la cuisson d'un produit type génoise (700g) placé dans un moule : perte de poids, profil de température interne et température de surface, pression interne. A travers une fenêtre dans la paroi isolée du moule des images ont été enregistrées pour suivre le gonflement. L'évolution de masse volumique a été déduite. Des mesures de flux de chaleur radiatif et convectif reçus par la surface du produit ont contribué à expliquer la coloration de la surface et la forme du produit cuit. Des cuissons à 160, 180, 220°C ont été réalisées avec une perte de masse constante (eau) de 6% durant la période de chauffage, avec des temps de chauffage respectivement de 81, 71, 52 min. Durant cette période la pâte se transforme en croûte colorée sèche en surface, et mie humide. La période de refroidissement contrôlé avec ventilation d'air (90min) conduit à une perte additionnelle de poids de 6% et représente une phase importante pour stabiliser la structure.

La croissance de la demande en produits pétroliers (essence et gazole), en particulier dans les pays développés, et la nature limitée des ressources pétrolières conduisent l’industrie pétrolière à s’intéresser de plus en plus à l’exploitation et la transformation des huiles lourdes et extra-lourdes. Leurs propriétés non conventionnelles du fait de leur forte composition en asphaltènes (particules définies comme l'ensemble de constituants insolubles dans le n-heptane et solubles dans le toluène) nécessitent la mise en oeuvre de procédés de plus en plus sophistiqués à toutes les étapes de leur exploitation et de leur production. Ces bruts, situés principalement au Canada et au Venezuela, sont caractérisés par leur forte viscosité de 1 à 55 Pa.s (1 000 cP à 55 000 cP), qui rend leur transport en surface impossible dans leur état naturel. Le développement de solutions technologiques nouvelles repose sur une meilleure connaissance des propriétés thermo- physiques et du comportement colloïdal de ces produits.Les méthodes de caractérisation expérimentale et de modélisation utilisées pour les bruts conventionnels sont inadaptées pour les bruts lourds et extra lourds. La caractérisation PVT des bruts lourds fait l’objet de nombreux travaux à l’heure actuelle. Les propriétés à déterminer sont les équilibres de phase et les propriétés thermo physiques des phases en équilibre. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectifs principaux le développement de méthodes expérimentales et de modèles adaptés aux bruts lourds et aux procédés de récupération envisagés pour ces bruts (production froide, injection de solvant VAPEX, injection de vapeur SAGD, etc...). / Due to increasing demand for fuel, in particular for developed countries, and the limited nature of reserves, petroleum industry is, and will, growing concerned by the heavy and and extra-heavy oil processing. The non-conventional properties of these oils (due to a high asphaltene composition) require specific engineering solutions during the different steps of their processing. These crudes, mainly localized in Canada and Venezuela, are characterized by their strong viscosity, from 1 up to 55 Pa.s, which makes their transport to earth surface impossible. The development of new technological solutions is based on a better knowledge of the thermophysical properties and the colloidal behavior of these products. The methods of experimental characterization and modelling used for the conventional crudes are unsuited for both heavy and extra heavy crudes. To date, characterization PVT of heavy crudes is the subject of numerous studies. The properties to be determined are balances of phase and thermophysical properties of the equilibrium cycles. In this context, the main objectives of this thesis are not only the development of experimental methods and models suitable for heavy crudes, but also the recovery processes envisaged for these crudes (cold production, VAPEX process, SAGD process, etc…).

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur la simulation sur maquette d'un panache d'incendie en tunnel par un panache massique formé par le rejet continu en canal d'un gaz léger (air-hélium). L'objectif de ces travaux est d'améliorer la technique de simulation à partir d'études théorique, expérimentale et numérique sur la dynamique d'un panache massique en champ libre ainsi qu'en milieu confiné ventilé.<br />Dans un premier temps, un modèle théorique de type intégral est développé pour décrire le comportement d'un panache massique se développant en champ libre, dans un fluide ambiant au repos et non stratifié. Ce développement théorique met en évidence que les évolutions avec l'altitude des caractéristiques du panache peuvent être déduites de celle d'un paramètre unique, la "fonction panache". Dans un second temps, des simulations numériques sont réalisées à l'aide du code de calcul Fire Dynamic Simulator (FDS) dans des situations de plus en plus complexes : panache massique d'hélium en champ libre puis en milieu confiné et ventilé (type tunnel). Les résultats de simulations numériques obtenus pour un milieu confiné et ventilé sont encourageants, en bon accord avec des données expérimentales. Les résultats numériques et expérimentaux, obtenus dans le cadre d'un projet de recherche national RGC&U, permettent de mettre en lumière les mécanismes à l'origine du caractère fortement tridimensionnel d'un panache d'incendie dans un tunnel ventilé longitudinalement. Enfin, dans le cadre des essais sur maquette, les règles de similitude pour la simulation d'un panache d'incendie réel par un panache massique sont établies à partir des équations physiques. Le foyer est modélisé par le rejet d'un mélange gazeux léger air-hélium dont les caractéristiques sont ajustées afin de correctement reproduire la masse volumique des fumées d'incendie.

L'objectif de cette thèse est le développement d'outils numériques pour la résolution des équations de Navier-Stokes dans l'approximation à faible nombre de Mach. On s'intéresse l'écoulement avec des contrastes de masse volumique d'origine thermique, plus particulièrement, aux anneaux de vorticité anisothermes générés par l'injection de fluide dans un milieu au repos. Ce sujet présente un intérêt important, tant du point de vue fondamental que du point de vue des applications industrielles. Tout processus industriel utilisant les systèmes d'injection est concerné, tels que les moteurs automobiles et aronautiques. Ce travail est guidé par la motivation de construire un schéma pouvant traiter les écoulements à forts contrastes de densité ayant lieu, par exemple, dans la combustion. On considère les équations conservatives formulées en trois dimensions dans un repère de coordonnées cylindriques. Quatre schémas d'intégration en temps, basés sur la méthode de projection incrémentale étendue au régime à faible nombre de Mach, sont implémentés. Des essais numériques sont menés pour analyser leurs stabilité et taux de convergence temporels. Des simulations pour une large gamme de rapports de masse volumique variant de 1/10 10 sont ralisées avec succès. Les effets de contraste de densité sur la dynamique et la structure de l'écoulement sont analysés. Les résultats ont montré que le jet chaud est caractérisé par un vortex de tête dans lequel se concentre le fluide le plus léger (chaud). Par ailleurs, le tourbillon généré par le jet froid constitue une région à temprature et masse volumique intermédiaires. On montre que les caractéristiques de l'écoulement (circulation, longueur de pénétration, coordonnées du tourbillon, etc.) sont fortement dépendantes du rapport de densité.

On peut constater une analogie étroite entre les mécanismes d'atomisation primaire dans une couche cisaillée diphasique et ceux précédant la transition au mélange dans une couche monophasique : l'instabilité primaire et la cinétique d'étirement des ligaments de fluide dense dans le courant rapide sont similaires dans les cas monophasiques et diphasiques si les vitesses d'injection et le rapport initial des masses volumiques sont les mêmes. L'atomisation primaire s'apparente au mélange turbulent de deux fluides pris dans la même phase pour les grands nombres de Reynolds et de Weber, comme dans le cas d'une injection LOx-H2 dans Vulcain. On choisit alors d'étudier l'influence du rapport initial de masse volumique sur la dynamique prétransitionnelle d'une couche monophasique plane au moyen de simulations numériques. A ce stade, la raideur des fonctions manipulées implique le recours aux solveurs hyperboliques de type solveur de Roe associés à des schémas Essentiellement Non Oscillants d'ordre élevé (WENO) et ce, pour la discrétisation des flux convectifs. Une fois établies les limites du compromis précision-robustesse des solveurs développés, deux directions d'étude sont privilégiées : tout d'abord des calculs Navier-Stokes, destinés à la compréhension des mécanismes fondamentaux de mélange, avant la transition à la turbulence 3D. L'étude révèle que, lorsque le rapport des masses volumiques entre les courants lents et rapides est supérieur à 1, la dynamique non-linéaire de la couche est gouvernée par un champ tourbillonaire asymétrique, au bilan duquel contribue fortement la distribution des gradients de masse volumique via le couple barocline. La possibilité de prendre en compte à la fois de forts rapports de masse volumique et des effets diffusifs variables permet d'établir les échelles intégrales de temps de mélange. Ensuite, des calculs conduits dans l'approche MILES, autorisant des nombres de Reynolds plus élevés, produisent des bases de données statistiques desquelles on peut estimer les composants des modèles de mélange pour les écoulements à masse volumiques très variables. Cette dernière étape sert la modélisation eulérienne de l'atomisation primaire.

Depuis une vingtaine d'années, l'utilisation de la technologie des fluides supercritiques suscite un grand intérêt comme alternative aux techniques conventionnelles pour de nombreuses applications telles que l'extraction, le fractionnement, la génération de particules, la chromatographie et la réaction chimique. Cependant, le développement de ce type de procédés nécessite au préalable de caractériser les propriétés du milieu considéré tel que le comportement thermodynamique des phases du point de vue de leurs compositions à l'équilibre et de leur caractéristiques thermophysiques telles que la viscosité, la densité, la diffusivité et l'expansion volumique. De plus, la connaissance de ces propriétés est essentielle à la compréhension des mécanismes des processus mis en jeu mais malencontreusement insuffisante dans la littérature. C'est dans ce contexte que ces travaux de thèse ont été réalisé et ont permis de développer des techniques de caractérisation de propriétés thermophysiques adaptées à la haute pression telles que la viscosimétrie à chute de bille, la mesure de densité utilisant la technologie du tube vibrant et la mesure de solubilité par analyse gravimétrique. Les investigations ont été uniquement menées sur la phase liquide de systèmes binaires très variés du point de vue de la nature physico-chimique des constituants : CO2-DMSO, CO2-PEG400 et CO2-beurre de cacao. Ce travail de thèse a également été consacré à la modélisation de ces propriétés au moyen d'équations d'état et de modèles empiriques ajustés sur les résultats expérimentaux. Développement d'un dispositif de mesure d'équilibre de phase Liquide-Vapeur Cette technique analytique a été développée pour mener des investigations sous haute pression (jusqu'à 35 MPa) de systèmes binaires composés d'une phase liquide (ou fondu) et d'une phase vapeur. Le dispositif a été validé en comparant les résultats obtenus sur le système DMSO-CO2, avec ceux de la littérature. Cet appareillage permet simultanément de déterminer la densité (au moyen d'un densimètre utilisant la technologie du tube vibrant) et la composition d'une phase, en l'occurrence ici la phase liquide, déterminée par analyse gravimétrique. Cette méthode est basée sur le prélèvement dans une cellule de mesure placée sur une balance de précision. L'échantillon de la phase liquide du système étudié, est prélevé dans des conditions de pression et de températures fixées et maintenues constantes lors de l'opération. La séparation des composés est obtenue après dépressurisation de la cellule et la quantité de CO2 initialement dissoute est ainsi déterminée par différence par rapport à la masse de l'échantillon prélevé. Développement d'un viscosimètre à chute de bille Ce dispositif a été spécifiquement conçu pour effectuer de mesures de viscosité sous pression. L'enceinte contenant le viscosimètre est une grande enceinte cylindrique. Les conditions maximales de pression et de température sont respectivement de 44 MPa et 200 °C. La technique est basée sur l'observation de la chute d'une bille d'aluminium (2 mm de diamètre) dans un tube en verre (2.1 mm de diamètre et 20 cm de longueur) au moyen d'une caméra rapide (30 à 500 images/s) au travers des hublots en saphir de l'enceinte. La vitesse terminale de chute permettant de déduire la viscosité du fluide considéré, est déterminée par analyse d'image des films capturés au moyen d'un outil spécialement conçu sous Matlab®. En première approximation, l'écoulement du fluide dans le tube peut-être considéré de type Poiseuille et laminaire. Un bilan de quantité de mouvement sur le fluide permet d'en déduire une définition simplifiée de la viscosité. Cette estimation de la viscosité permet d'initialiser des calculs CFD réalisés par la méthode des éléments finis sous Comsol® Multiphysics. En outre ces calculs ont permis d'estimer le terme correctif tenant compte de la forme spécifique du champ de vitesse à proximité de la bille.

Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur l'évolution des champs dynamique et scalaire des jets de gaz turbulents verticaux axisymétriques se développant dans co-courant d'air.<br /> Les gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le dioxyde de carbone. Le rapport des densités est compris entre 7,2 (hélium / air) et 0,0667 (dioxyde de carbone / air). Le rapport des vitesses est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange.<br /><br /> La détermination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moment d'ordre 3 et 4...) a été faite grâce à l'anémométrie Doppler laser à deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération de gouttelettes d'huile d'olive de 1,5 micromètre de diamètre). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets e gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds.<br /><br /> La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul (TFR), d'obtenir des densités spectrales d'énergie pour chacune des positions axiales explorées. Nous avons pu estimer les échelles caractéristiques de la turbulence de nos jets turbulents axisymétriques à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de Taylor et micro-échelle spatiale de Kolmogorov), ainsi que d'autres paramètres importants (taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence, nombre de Reynolds turbulent et macro-échelle de temps). L'influence du rapport des densités est également notable sur ces grandeurs.<br /><br /> Enfin, la phase exploratoire d'un futur couplage ADL – Rayleigh a été mise en œuvre. Ainsi, l'exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet Rayleigh induit par laser sur ces mêmes gaz.