Cette thèse s'intéresse à la faisabilité de la mise en place de modèles d'ordre réduit pour l'étude des vibrations sous écoulement au sein de faisceaux tubulaires d'échangeurs de chaleur. Ces problématiques sont cruciales car les systèmes étudiés sont des éléments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans les sous-marins.Après avoir rappelé le fonctionnement et les risques vibratoires existants au sein des échangeurs de chaleur, des calculs complets d'écoulement et de vibrations sous écoulement ont été effectués, d'abord pour un tube seul en milieu infini, puis pour un faisceau de tubes. Ces calculs ont été menés avec l'outil CFD Code_Saturne. La méthode de réduction de modèle POD (Proper Orthogonal De-composition) a été appliquée au cas des écoulements avec la structure laissée fixe.Les résultats obtenus montrent l'efficacité de la méthode pour ces configurations, moyennant l'introduction de méthodes de stabilisation pour l'écoulement au sein du faisceau. La méthode POD-multiphasique, permettant d'adapter la méthode POD à l'interaction fluide-structure, a ensuite été appliquée. Les grands déplacements d'un cylindre seul dans la zone d'accrochage (lock-in) ont été correctement reproduits par cette méthode de réduction de modèle. De même, on montre que les grands déplacements d'un cylindre en milieu confiné dans un faisceau de tubes sont fidèlement reconstruits.Enfin, l'extension de l'utilisation de la réduction de modèle aux études d'évolution paramétrique a été testée. Nous avons d'abord utilisé la technique considérant une base POD unique pour reproduire des écoulements à divers nombres de Reynolds autour d'un cylindre seul. Les résultats confirment la prédictivité bornée à une gamme de paramètres de cette méthode. Enfin, l'interpolation de bases POD pré-calculées pour une famille de paramètres donnés, utilisant les variétés de Grassmann et permettant de générer de nouvelles bases POD, a été testée sur des cas modèles.

Thèse de doctorat : Médecine : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les mélanges multiphasiques en déséquilibre de vitesse sont habituellement modélisés à l'aide d'un modèle à 6 ou 7 équations (Baer and Nunziato, 1986). Ces modèles sont très efficaces pour traiter des mélanges avec effets d'interpénétration. Ils peuvent aussi être utilisés pour traiter des problèmes à interface dans lesquels il est nécessaire de respecter les conditions d'interface (continuité de la vitesse normale et de la pression). Ceci est réalisé à l'aide de solveurs de relaxation mécanique (Saurel and Abgrall, 1999). Une autre méthode consiste à utiliser un modèle à une vitesse et une pression (Kapila et al., 2001). Cependant, de nombreuses applications font intervenir des interfaces instables entre fluides. On traite habituellement ces zones de mélanges turbulents en utilisant un modèle à une vitesse et en résolvant spatialement les diverses instabilités. Dans de nombreuses applications cela devient impossible en raison du trop grand nombre de « jets » et de « bulles ». De plus, on rencontre des difficultés numériques y compris pour le calcul d'une instabilité isolée (Liska and Wendroff, 2004). Dans ce manuscrit, nous abordons le problème de la modélisation des zones de mélange avec des modèles multiphasiques. Cela pose un sérieux problème de modélisation pour des écoulements évoluant d'une situation où l'interface est bien définie (une seule vitesse) vers une configuration de mélange de fluides à plusieurs vitesses. Cette question a été abordée par Besnard and Harlow (1988), Youngs et al. (1989), Chen et al. (1996), Glimm et al. (1999), Saurel et al. (2003) par exemple. / Multiphase mixtures with velocity disequilibrium are usually modelled with 6 or 7 equations models (Baer and Nunziato, 1986). These models are very efficient to model mixtures with velocity drift effects. They can also be used to model interfacial flows where the respect of interface conditions (continuous normal velocity and pressure) is mandatory. Such aim is usually achieved with the help of stiff mechanical relaxation solvers (Saurel and Abgrall, 1999). Another option is to use single pressure and single velocity models (Kapila et al., 2001). However, many applications involve unstable fluid-fluid interfaces for which flow conditions range from well separated fluids to fully mixed ones. The usual way to deal with these turbulent mixing zones is to use a single velocity flow model and to resolve spatially the various instabilities. However, spatial resolution of these instabilities in many applications is impossible as too many ‘jets' and ‘bubbles' are present. Also, numerical difficulties and large inaccuracies are present even for an isolated instability computation (Liska and Wendroff, 2004). In this work, we address the issue of mixing zone modelling with multiphase flow models. This poses the serious difficulty of model derivation for flows conditions ranging from well defined interfaces (single velocity) to fluid mixtures evolving with several velocities. This issue has been addressed by Besnard and Harlow (1988), Youngs et al. (1989), Chen et al. (1996), Glimm et al. (1999), Saurel et al. (2003) to cite a few. In Saurel et al. (2010) an extension of the Kapila et al. (2001) model was done to deal with permeation effects through material interfaces.

Afin de prédire l’évolution de la composition chimique du laitier dans différents procédés sidérurgiques, un modèle CFD a été développé. Les coefficients de transfert de masse sont estimés à partir des modèles basés sur les paramètres physico-chimiques et hydrodynamiques, comme par exemple la diffusivité des espèces chimiques et la divergence de l’interface. Ces modèles ont été développé pour la prédiction du transfert gaz-liquide où le les nombres de Schmidt (Sc=ν⁄D) sont relativement faible (Sc≈200). Par contre, les procédés industriels ont un nombre de Sc considérablement plus importante, de l’ordre de 103 à 104. Pour évaluer la pertinence de ces modèles, l’hydrodynamique au voisinage d’une interface liquide-liquide a été étudiée. Un modèle CFD et des mesures par l’anémométrie laser (LDA) ont été utilisés pour calculer et valider les champs de vitesse d’une maquette à eau d’une lingotière de coulée continue (CC).Le modèle de transfert de masse d’une lingotière de coulée continu industriel nous a montré que les coefficients de transfert de masse ne sont pas distribués de manière homogène, et les propriétés physiques du laitier ne doivent pas y être non plus. Cette distribution non-homogène a été confirmée par des essais physiques. Les écoulements calculés numériquement ont été utilisé pour prédire les coefficients de transfert de masse entre les deux phases liquide. Ces paramètres seront utilisés comme donnée d’entré pour un modèle de thermodynamique afin de prédire l’évolution de la composition chimique du laitier. / In order to characterize the mass transfer coefficients (MTC) of different species across liquid steel/slag interface, a multiphase Computational Fluid Dynamic (CFD) model was developed. MTC’s are estimated from models based on physicochemical and hydrodynamic parameters, such as mass diffusivity, interface shear and divergence strength. These models were developed for gas-liquid interactions with relative low Schmidt (Sc=ν⁄D) numbers (Sc≈200). However, the industrial processes involve mass transfer of chemical species with Sc number ranging from 103 to 104. To evaluate the applicability of these existing models, the fluid flow in the vicinity of a liquid/liquid interface is investigated. Computational Fluid Dynamic (CFD) and Laser Doppler Anemometry (LDA) were used to calculate and measure the velocity field on a continuous casting (CC) water model configuration. The work provides new insights and original measures to understand the fluid flow near liquid-liquid interfaces.The mass transfer model of an industrial continuous casting mold showed that the mass transfer coefficients are not homogeneously distributed, and slag properties should follow this trend. This non-homogeneity was confirmed by physical experiments performed with a water model of a CC configuration and its CFD representation. The calculated flow was used to predict the MTC and the interface area between phases, since the interface is constantly moving. These parameters will be the input of thermodynamic models to predict slag composition and viscosity. This methodology is currently under validation, and it will also be applied to improve steel plant performance in the desulphurization process.

La compréhension des écoulements multiphasiques en milieu poreux revêt une importance capitale dans de nombreuses applications industrielles et environnementales, à des échelles spatiales et temporelles variées. Par conséquent, la présente étude propose une modélisation des écoulements multiphasiques en milieu poreux par le biais de la méthode Volume de Fluide, et présente des simulations de digitations de Saffman-Taylor, motivées par l'analyse d'expériences de balayage dans des blocs de grès de Bentheimer quasi bidimensionnels initialement saturés en huile extra-lourde par de l'eau. Le code Gerris, permettant des calculs parallèles efficaces à l'aide d'un maillage de type octree, est utilisé. Des tests de précision et de rapidité de calcul sont réalisés à l'aide de divers niveaux de raffinement, ainsi qu'une comparaison avec des simulations de référence dans la littérature. Des simulations 3D dans des milieux réels numérisés sont réalisés avec des résultats encourageants. Même s'il n'est pas encore possible d'atteindre des nombres capillaires réalistes, des écoulements dans des domaines cubiques de 1 mm de côté sont simulés, avec un temps de calcul raisonnable. Des simulations 2D de digitations visqueuses avec injection centrale ou latérale sont également présentées, basées sur la loi de Darcy. L'aspect fractal des digitations est étudié aussi bien à l'aide de la dimension fractale que de la variation de l'aire des motifs obtenus par rapport à leur périmètre. Enfin, des balayages à l'aide de polymères suivant des balayages à l'eau dans un processus en deux temps sont simulés à partir d'une modélisation darcéenne. / Understanding multiphase flow in porous media is of tremendous importance for many industrial and environmental applications at various spatial and temporal scales. The present study consequently focuses on modelling multiphase flows by the Volume-of-Fluid method in porous media and shows simulations of Saffman-Taylor fingering motivated by the analysis of waterflooding experiments of extra-heavy oils in quasi-2D square slab geometries of Bentheimer sandstone. The Gerris code which allows efficient parallel computations with octree mesh refinement is used. It is tested for accuracy and computational speed using several levels of refinement and comparing to reference simulations in the literature. Simulations of real rocks are realised in three dimensions with very promising results. Though it is not yet possible to attain realistic capillary numbers, it is possible to simulate flows in domains of physical size up to 1 mm3 in reasonable CPU time. 2D simulations of viscous fingering with both central and lateral injection are also presented in this study, based on Darcy's law. The fractal aspect of this fingering is studied by considering both its fractal dimension and the variation of the area of the resulting pattern with respect to its arclength. Finally, polymer flooding following waterflooding in a two-step process is simulated with Darcy modelling.

L'isoprène est le composé organique volatil biogénique le plus émis à l'échelle de la planète. Il a été montré récemment que, malgré ses faibles rendements de production d'aérosols organiques secondaires (AOS), il pouvait contribuer de manière significative à la matière organique particulaire totale atmosphérique du fait de sa forte émission à l'échelle globale. L'AOS est reconnu pour présenter plusieurs impacts sur l'environnement, et notamment, sur le climat. Cependant, ses processus de formation, et notamment ceux ayant lieu via les gouttelettes nuageuses (voie potentiellement importante) restent encore mal connus. L'objectif de ce travail a été d'étudier la formation d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène (ou de la méthacroléine, un de ses produits d'oxydation majeurs) en conditions sèches ainsi qu'en présence de nuage. La chimie se produisant dans les phases gazeuse, particulaire et aqueuse ; et les échanges ayant lieu entre ces phases ont ainsi été investigués via une approche multiphasique originale dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM. Une caractérisation des phases gazeuse et particulaire durant la photooxydation de l'isoprène en absence d'hydrométéores a, dans un premier temps, été effectuée. Les rendements de production d'AOS présents dans la littérature montrent une dispersion générale, les rendements obtenus lors des expériences sont cependant en bon accord avec les valeurs basses présentées dans la littérature. Cette caractérisation en conditions sèches a été complétée par la modélisation 0D des résultats. Les désaccords entre les données mesurées et les simulations issues des modèles explicite et détaillé sont importants et une inadéquation des codes chimiques à la chimie de l'isoprène ne peut être écartée. Pour la première fois en chambre de simulation, des protocoles destinés à étudier la photochimie en phase nuageuse ont été développés. Une méthodologie spécifique permettant de générer des nuages de durée de vie suffisante pour permettre l'établissement de réactions en phase aqueuse a ainsi été mise en place. L'influence de cycles d'évapo-condensation nuageux sur la photooxydation de l'isoprène, ou de ses produits d'oxydation, a ensuite été investiguée. Cette étude a permis de mettre en évidence l'existence d'un impact de la génération de nuage sur les phases gazeuse et particulaire, suggérant fortement l'existence d'une production très significative d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène via les gouttelettes nuageuses

Ce mémoire étudie, par la voie de la modélisation numérique, le comportement des murs en terre armée sous l'effet de la corrosion des armatures. L'analyse de données recueillies sur des ouvrages réels, âgés de plusieurs dizaines d'années, a montré la différence de comportement selon les types d'armatures, mais aussi la forte dispersion de l'ensemble des données. Elle a permis de proposer des relations entre la perte de masse et la diminution de la résistance et de l'allongement à la rupture des armatures.La présence des armatures très minces par rapport aux dimensions de l'ouvrage rend intéressante l'utilisation de méthodes d'homogénéisation. On a retenu une modélisation multiphasique, qui permet une modélisation satisfaisante de la traction dans les armatures.Quatre scénarios de corrosion ont été étudiés pour prendre en compte diverses situations susceptibles de conduire à des taux de corrosion élevés. La répartition spatiale de la corrosion peut avoir une influence importante sur le comportement du mur, sur le mécanisme de ruine et provoquer des phénomènes complexes de report des effort d'une armature sur une autre.Nous avons réalisé une étude paramétrique de l'effet de surcharges appliquées à l'ouvrage, et de certains détails de modélisation comme la jonction entre écailles, et la jonction entre armatures et écailles. Les résultats obtenus sont comparés à des mesures sur des ouvrages réels ou des modèles réduits, et à d'autres résultats de calcul.Les résultats conduisent à formuler des propositions concernant le suivi des déformations des ouvrages (nature et précision des mesures à effectuer, intervalles de temps entre inspections successives) / This thesis presents numerical simulations of the behavior of reinforced earth walls induced by the corrosion of the reinforcement strips. The preliminary analysis of a database, gathering results of laboratory tests, performed on soil and steel samples extracted from wall built several decades ago, has shown the difference in behavior between different types of reinforcement strips, and the large scattering of data. It served as a basis to derive relationships between weight loss, ultimate strength and ultimate strain of reinforcement strips.The presence of very thin strips compared to the size of the reinforced earth wall makes it interesting to use homogenization methods. We adopted a multiphase model, that makes it possible to get a satisfactory modeling of the tensile forces in reinforcement strips.We studied four corrosion scenarios to take into account various situations in which corrosion rates can become significant. The spatial distribution of corrosion can have a clear influence on the behavior of the wall, the failure mechanism, and create complex redistributions of tensile forces between adjacent strips. Parametric studies were carried out to investigate the effects of surcharges, and of some details of modeling, such as the junction between panels, or the junction between the reinforcement strips and the facing panels. Results have been compared with measures obtained on full scale reinforced earth walls or on physical models, and with results of other numerical simulations. Results provide elements for the definition of a strategy for the monitoring and the surveillance of reinforced earth walls

Cette thèse s’intéresse à la faisabilité de la mise en place de modèles d’ordre réduit pour l’étude des vibrations sous écoulement au sein de faisceaux tubulaires d’échangeurs de chaleur. Ces problématiques sont cruciales car les systèmes étudiés sont des éléments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans les sous-marins.Après avoir rappelé le fonctionnement et les risques vibratoires existants au sein des échangeurs de chaleur, des calculs complets d’écoulement et de vibrations sous écoulement ont été effectués, d’abord pour un tube seul en milieu infini, puis pour un faisceau de tubes. Ces calculs ont été menés avec l’outil CFD Code_Saturne. La méthode de réduction de modèle POD (Proper Orthogonal De-composition) a été appliquée au cas des écoulements avec la structure laissée fixe.Les résultats obtenus montrent l’efficacité de la méthode pour ces configurations, moyennant l’introduction de méthodes de stabilisation pour l’écoulement au sein du faisceau. La méthode POD-multiphasique, permettant d’adapter la méthode POD à l’interaction fluide-structure, a ensuite été appliquée. Les grands déplacements d’un cylindre seul dans la zone d’accrochage (lock-in) ont été correctement reproduits par cette méthode de réduction de modèle. De même, on montre que les grands déplacements d’un cylindre en milieu confiné dans un faisceau de tubes sont fidèlement reconstruits.Enfin, l’extension de l’utilisation de la réduction de modèle aux études d’évolution paramétrique a été testée. Nous avons d’abord utilisé la technique considérant une base POD unique pour reproduire des écoulements à divers nombres de Reynolds autour d’un cylindre seul. Les résultats confirment la prédictivité bornée à une gamme de paramètres de cette méthode. Enfin, l’interpolation de bases POD pré-calculées pour une famille de paramètres donnés, utilisant les variétés de Grassmann et permettant de générer de nouvelles bases POD, a été testée sur des cas modèles. / The objective of this thesis is to study the ability of model reduction for investigations of flow-induced vibrations in heat exchangers tube bundle systems.These mechanisms are a cause of major concern because heat exchangers are key elements of nuclear power plants and on-board stoke-holds.In a first part, we give a recall on heat exchangers functioning and on vi-bratory problems to which they are prone. Then, complete calculations leaded with the CFD numerical code Code_Saturne are carried out, first for the flow around a single circular cylinder (fixed then elastically mounted) and then for the case of a tube bundle system submitted to cross-flow. Reduced-order method POD is ap-plied to the flow resolution with fixed structures. The obtained results show the efficiency of this technique for such configurations, using stabilization methods for the dynamical system resolution in the tube-bundle case.Multiphase-POD, which is a method enabling the adaptation of POD to fluid-structure interactions, is applied. Large displacements of a single cylinder elastically mounted under cross-flow, corresponding to the lock-in phenomenon,are well reproduced with this reduction technique. In the same way, large displace-ments of a confined moving tube in a bundle are shown to be faithfully recon-structed.Finally, the use of model reduction is extended to parametric studies. First,we propose to use the method which consists in projecting Navier-Stokes equations for several values of the Reynolds number on to a unique POD basis. The resultsobtained confirm the fact that POD predictability is limited to a range of parameter values. Then, a basis interpolation method, constructed using Grassmann mani-folds and allowing the construction of a POD basis from other pre-calculated basis,is applied to basic cases.

La dégénérescence discale est généralement considérée comme le résultat de l'insuffisance chronique de la nutrition de ses cellules due à un déficit du renouvellement de la matrice extra-cellulaire. Des chargements mécanique excessifs et répétés sont parmi les principales causes créant des lésions dans les disques et à terme précipitent la dégénérescence discale. En modélisant le fonctionnement multi-physique du disque par un modèle quadriphasique couplé à un modèle métabolique des cellules, l'objectif de ce travail est d'aider à une meilleure compréhension du fonctionnement discal. Puis par une approche numérique, le lien entre sollicitation mécanique, nutrition et dégénérescence est étudié. Dans un premier temps, le disque a été représenté en 2D. L'effet d'un cycle nycthéméral simplifié sur les paramètres osmotico-mécaniques et nutritionnels du disque lombaire d'un sujet de corpulence normale et d'un sujet en surpoids ou portant des charges a alors été analysé. Dans un second temps, à travers une approche 3D, l'influence sur la fonction discale de mouvements rapides associés à la vie quotidienne, telles qu'une flexion, une flexion latérale et une rotation axiale, a été quantifiée. En outre, pour ces deux approches, une étude comparative a été réalisée afin d'étudier l'influence réelle de la convection par rapport à la diffusion dans le transport des nutriments. Ainsi, ce travail constitue une contribution à une meilleure compréhension de l'évolution spatiale et temporelle des nutriments et des paramètres osmotico- mécaniques du disque intervertébral, lorsque ce dernier est soumis à différents types de chargements. / Disc degeneration is generally regarded as the result of chronic insufficiency of cell nutrition due to a lack of renewal of the extracellular matrix. Excessive and repeated mechanical loads are among the leading causes of injury in the disc and eventually precipitate disc degeneration. By modeling the multi-physics functioning of the disc by a quadriphasic model coupled with a metabolic model, the aim of this work is to contribute to a better understanding of the disc functions. With a numerical approach, the relationship between mechanical stress, nutrition and degeneration is studied. The disc was first represented in 2D. The effect of a simplified circadian cycle on the osmotico-mechanical and nutritional parameters of lumbar disc of a normal weight and overweight (or carrying loads) subjects was then analyzed. After that, through a 3D approach, the influence of the disc function towards rapid movements such as bending, lateral bending and axial rotation was quantified. In addition to these two approaches, a comparative study was conducted to investigate the real influence of convection compared to diffusion in the transport of nutrients. This work contributed to a better understanding of the spatial and temporal evolution of nutrients and osmotico-mechanical parameters of the intervertebral disc when it is subjected to different loadings.

L'évolution des techniques d'acquisition des imageries médicales et leur importance de plus en plus grande dans la prise en charge du patient (diagnostic, préparation d'intervention, suivi, etc.), font émerger de nouveaux besoins autour du traitement informatique des images. La reconnaissance du type de lésions hépatiques est un grand enjeu, notamment car le cancer du foie, létal et très répandu, est souvent diagnostiqué trop tard pour sauver le patient. C'est dans ce cadre qu'est né le projet de recherche de ce manuscrit, fruit d'une collaboration entre la société IMAIOS et le Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier (LIRMM).Cette thèse présente un système complet et automatique permettant, à partir d'images de lésions au format médical DICOM, d'extraire des descripteurs visuels de divers nodules hépatiques puis de les différencier à l'aide de ces derniers. Les contributions décrites s'articulent autour de divers axes : normalisation des niveaux de gris des images de lésions par rapport au foie sain, proposition, analyse et tests de descripteurs visuels (s'appuyant notamment sur les informations temporelles ou de densité des tissus), caractérisations diverses des différents types de lésions grâce à ces descripteurs et à un algorithme de classification. Les données sur lesquelles ces travaux ont été effectués sont des examens scanner multiphasiques. / Medical imaging acquisition has taken benefits from recent advances and is becoming more and more important in the patient care process. New needs raise, which are related to image processing. Hepatic lesion recognition is a hot topic, especially because liver cancer is wide-spread and leads to death, most of the time because of the diagnosis which is made too late. In this context is born this manuscrit research project, a collaboration between IMAIOS company and the Laboratory of Informatics, Robotics and Micro-electronics ofMontpellier (LIRMM).This thesis presents a complete and automated system that extracts visual features from lesion images in the medical format DICOM, then differenciate them on these features.The various described contributions are: intensity normalization using healthy liver values, analysis and experimentations around new visual features, which use temporal information or tissue density, different kind of caracterisation of the lesions. This work has been done on multi-phase Computed Tomography acquisitions.