Suffosion ist ein hydromechanischer Prozess, welcher die Umlagerung und den Transport von feinen Partikeln eines Bodens infolge einer Wasserströmung beschreibt. Als Folge des Materialverlustes vergrößert sich die Porenzahl und die Dichte verringert sich, wodurch sich auch die hydraulischen und bodenmechanischen Eigenschaften des Bodens verändern. Um die Auswirkungen einer Suffosion besser bewerten zu können, wurden die Einflüsse von geometrischen Faktoren (Anfangsfeinanteil und Probendichte), hydraulischen Faktoren (Filtergeschwindigkeit) sowie der effektiven Spannung untersucht. Anhand von 3D-DEM Simulationen mit binären Mischungen wurde die Struktur (Kontakt- und Kontaktkraftverteilung) eines suffosionsanfälligen Bodens und ihre Änderung infolge der genannten Einflüsse untersucht. Hierbei kann klar erkannt werden, dass die feinen Anteile einer Mischung weniger kontaktiert werden als die groben und auch weniger Kontaktkräfte übertragen. Mit steigender Dichte und steigendem Feinanteil steigen allerdings auch die Kontakte und übertragenen Kontaktkräfte der feinen Partikel deutlich an. Anhand von Laborversuchen mit isotroper Belastung und konstanter Durchströmung, wurden die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die ausgetragene Materialmenge, die hydraulischen Eigenschaften des Bodens und die infolgedessen auftretenden Verformungen untersucht. Es zeigt sich ein Anstieg der ausgetragenen Materialmenge für einen steigenden Feinanteil, eine steigende hydraulische Einwirkung, sowie eine geringere Probendichte und eine geringere isotrope Belastung. Mit steigender Materialdichte und abnehmender hydraulischer Einwirkung konnte eine Abnahme des Durchlässigkeitsbeiwertes gezeigt werden, welche auf eine Ablagerung von transportierten Partikeln hindeutet. Eine Dimensionsanalyse der Ergebnisse kann einen direkten Zusammenhang zwischen ausgetragenem Feinmaterial und volumetrischer Dehnung des Probekörpers infolge Suffosion zeigen, welcher durch einen Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur bestätigt werden kann. An erodierten Proben wurden drainierte Triaxialversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das qualitative Verhalten der erodierten, sowie der intakten Proben hauptsächlich von der relativen Lagerungsdichte des Grobmaterials bestimmt wird. Weiterhin konnte anhand eines Vergleiches mit Literaturergebnissen gezeigt werden, dass hauptsächlich der Bodenzustand vor der Scherung, beschrieben durch Porenzahl und Porenzahl des Grobmaterials, das Scherverhalten bestimmen. Die Art wie dieser Zustand erreicht wurde, ob durch Suffosion oder künstlich hergestellt, scheint keinen wesentlichen Einfluss auf den maximalen Spannungszustand η = q/p0 während der Scherung zu haben. Weiterhin wurde der Erosionsdurchbruch in feinkörnigen Böden infolge einer Kontakterosion an der Grenzfläche eines feinkörnigen Dichtmaterials zu einem grobkörnigen Filtermaterial untersucht. Hierfür wurden künstlich hergestellte, geschichtete Proben durchströmt, um den kritischen hydraulischen Gradienten für einen Erosionsdurchbruch zu ermitteln. Es wurde hierbei festgestellt, dass der Gradient infolge einer steigenden effektiven Spannung und einem steigenden Überkonsolidierungsgrad des Dichtmaterials sowie einem kleineren Porendurchmesser des Filtermaterials steigt. Anhand einer Dimensionsanalyse konnte gezeigt werden, dass der kritische Gradient auch von der Bodenart abhängen muss.

Ce travail de thèse de doctorat, effectué au sein du Département de Chimie Appliquée (au Laboratoire de Génie Chimique, LGC), vise à réaliser létude de lécoulement dun fluide dans des géométries complexes rencontrées en Génie Chimique (les empilages aléatoires et structurés, souvent utilisés dans des colonnes dadsorption et de distillation) par la méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Method, LBM) et à développer un outil numérique de simulation sous la forme dun code de calcul tridimensionnel. Dans le but daméliorer les performances de ces éléments complexes, qui conduisent à une efficacité et une sélectivité accrue des procédés se produisant dans les colonnes de distillation et dadsorption, il est donc intéressant dexaminer avec plus de précision la description des phénomènes de transport se produisant à léchelle locale dans ces milieux. Dans un premier temps, les concepts et les équations macroscopiques qui dérivent de lécoulement dun fluide ont été succinctement passés en revue, ainsi que le modèle de turbulence qui a été utilisé. Nous présentons ensuite, les éléments théoriques de la méthode de Boltzmann sur réseau, après quelques détails sur le modèle Gaz sur réseau, dont elle est dérivée. La méthode de Boltzmann sur réseau se démarque des schémas traditionnels en résolvant numériquement une équation basée sur la physique statistique. Les codes des modèles SRTLBE (équation de Boltzmann sur réseau à un seul temps de relaxation) et MRTLBE (équation de Boltzmann sur réseau à plusieurs temps de relaxation) à trois dimensions, de même que des conditions aux limites convenables ont été écrits dans un langage de programmation, puis validées sur des cas types de la littérature : un écoulement laminaire dans un conduit de section carrée et un écoulement de jet turbulent rectangulaire à 3D. Les codes implémentés dans une grille de calcul ont permis de simuler des écoulements de fluides dans des structures très complexes qui ont été obtenues par une technique expérimentale avancée : la microtomographie à rayons X. Létude dune mousse métallique, dun filtre à charbons actifs et dun filtre de capture daérosols ont été présentés. Les résultats numériques ont été comparés avec succès aux mesures expérimentales et à des corrélations de la littérature. Une autre étude a concerné létude de lécoulement à travers deux feuilles de Mellapak 250 Y. Les champs et contours de vitesse ainsi obtenus ont été soigneusement analysés et commentés à la fois en régime laminaire et en régime turbulent. Les résultats hydrodynamiques ont été comparés avec des mesures expérimentales ainsi quavec des valeurs calculées par des corrélations disponibles dans la littérature. Les modèles existant ont été analysés. Enfin, ces simulations (LBM) ont été comparées à celles effectuées dans les mêmes conditions opératoires, avec le code de calcul classique FLUENT.

Ces travaux de thèse s'incrivent dans le cadre du traitement de gaz acides et captage CO2 dans les colonnes à garnissages structurés. Les gaz à traiter réagissent avec un liquide s'écoulant à contre-courant sur des plaques métalliques dont la compléxité géométrique permet d'accroître l'aire d'échange, et donc l'efficacité du procédé. Dans un contexte de modélisation multi-échelles des contacteurs à garnissages structurés, les écoulements gaz-liquide à la plus petite échelle géométrique des plaques de garnissages (de l'ordre de l'épaisseur du film liquide) sont étudiés, pour améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements diphasiques et phénomènes de mouillage dans les garnissages. L'objectif final est de développer une méthodologie CFD pour reproduire des écoulements diphasiques 3D sur des géométries complexes telles que les plaques de garnissages. Pour ce faire, il est nécessaire de progresser en méthodes numériques et de proposer des méthodes expérimentales pour observer des écoulements de film liquide sur des géométries complexes. Ces travaux comprennent une partie numérique et une partie expérimentale. Un écoulement sur une plaque de garnissage structuré peut présenter des zones sèches, et donc des lignes de contact (dynamiques), ce qui présente un défi en simulation numérique à cause des différentes échelles de l'écoulement. La méthodologie employée ici en simulation numérique consiste à résoudre l'écoulement jusqu'à une échelle intermédiaire en modélisant les effets des plus petites échelles. Le code de calcul Two-Phase Level-Set a été utilisé et modifié dans ce but. Différentes méthodes level-set ont d'abord été testées de manière à identifier une méthode satisfaisante quant à la réduction des erreurs de conservation de masse, un problème rencontré en level-set. Il est ici montré que certaines combinaisons de schémas de discrétisation spatiale et temporelle permettent de réduire considérablement ces erreurs de conservation de masse. Après avoir réalisé de nombreux tests de validation, une nouvelle méthode numérique est proposée pour simuler les grandes échelles d'écoulements diphasiques 3D avec ligne de contact dynamique en level-set, dans des conditions réalistes. La méthode est ici validée pour des écoulements axisymétriques de gouttes simulés en 3D, en régime visqueux et en régime inertiel, et pour des écoulements de gouttes sur plan incliné. Les résultats sont en très bon accord avec d'autres travaux numériques et expérimentaux. Afin de faciliter l'utilisation de cette méthodologie pour des applications industrielles, un modèle sous-maille similaire a été implémenté dans un code VOF commercial; les résultats sont aussi en très bon accord avec d'autres travaux. En plus de ces développements numériques, une campagne expérimentale est mise en oeuvre pour observer des écoulements de film liquide sur une plaque de garnissage structuré. Les méthodes expérimentales employées sont d'abord testées et validées pour des écoulements de film plat ou ondulé sur plan incliné, et ensuite utilisées pour observer des écoulements de film sur des plaques de garnissage. L'épaisseur de film liquide est mesurée aux creux et aux crêtes des picots des plaques de garnissages, pour différents débits, par imagerie confocale chromatique. Des lois de puissance de l'épaisseur de film en fonction du Reynolds sont proposées; celles-ci sont très différentes suivant la position des relevés de mesure, aux creux ou aux crêtes des picots. La vitesse à l'interface de l'écoulement gaz-liquide est aussi mesurée, par PIV et PTV, en utilisant des particules hydrophobes. Les résultats montrent que le liquide a tendance à dévier du creux des canaux (corrugations), et la norme de la vitesse semblent présenter des extremums correspondant aux creux et crêtes des picots. [...] / The work described in this thesis is motivated by the use of structured packing columns in acid gas treatment and post-combustion CO2 capture. In a counter-current mode, flue gases react with the liquid that flows down over metal sheets, the geometrical complexity of which allows increasing the specific interfacial area, and thereby the overall efficiency of the process. In the context of multiscale modeling of structured-packing contacting devices, the focus in this work is on the gas-liquid flows at the smallest geometrical scale of packing sheets, of the order of the liquid film thickness, aiming to improve understanding and modeling of two-phase flows and wetting phenomena in structured packings. The ultimate objective is to build up a CFD methodology to reproduce 3D two-phase flows over complex surfaces such as structured packing sheets. For this purpose, progress is necessary both in pertinent computational methods and in the adaptation of experimental methods for observing liquid film flows over complex surfaces. This thesis therefore consists of computational and experimental parts. Flows over structured packing sheets may exhibit dry zones, and hence (moving) contact lines, the numerical simulation of which presents a computational challenge due to the disparity in length scales involved. Here, the methodology for large-scale numerical simulations of flows with moving contact lines consists in resolving the flow down to an intermediate scale and modeling effects of smaller ones. The parallelized freeware Two-Phase Level-Set has been extended for this purpose. First though, because some level-set methods have been reproached to yield mass conservation issues, an assessment is made of the mass conservation properties of a range of level-set methods. It is demonstrated that the combined use of some spatial and temporal discretization schemes allows to drastically reduce mass conservation errors in level-set methods. Having thus implemented a level-set method with satisfactory performance at such tests (and others), a novel numerical method is proposed to perform 3D large-scale simulations of flows with moving contact lines in level-set, under realistic conditions. Validation tests of axisymmetric droplet spreading in a viscous, and in an inertial regime, simulated in 3D, and sliding drops are shown to be in excellent agreement with prior experimental and numerical work. The results show that complex contact-line dynamics observed in prior experimental studies on sliding droplets can be simulated using the present large-scale methodology. To facilitate dissemination of this work in industrial applications, a similar subgrid model has been implemented in a commercial volume-of-fluid code; results of validation tests are shown to be in excellent agreement with other work. These computational developments are accompanied by an experimental campaign to observe liquid film flows over structured packing sheets. All experimental methods used herein are tested and validated for flat and wavy films down an inclined plane before being used for observing liquid film flows over packing sheets. The film thickness is measured at local troughs and crests of small-scale corrugations of the structured packing sheet, for different flow rates, by Chromatic Confocal Imaging. Power laws of the Reynolds number for the mean liquid film thickness are suggested, with significant differences for measurements at crests compared to that at troughs. Interface velocity measurements are also performed by PIV and PTV using hydrophobic particles. Results reveal that the liquid tends to deviate from troughs of large-scale corrugations, and seems to exhibit local extrema of the velocity magnitude corresponding to troughs and crests of small-scale corrugations. [...]

This work refers to ball-intersections bodies as well as covering, packing, and kissing problems related to balls and spheres in normed spaces. A quick introduction to these topics and an overview of our results is given in Section 1.1 of Chapter 1. The needed background knowledge is collected in Section 1.2, also in Chapter 1. In Chapter 2 we define ball-intersection bodies and investigate special classes of them: ball-hulls, ball-intersections, equilateral ball-polyhedra, complete bodies and bodies of constant width. Thus, relations between the ball-hull and the ball-intersection of a set are given. We extend a minimal property of a special class of equilateral ball-polyhedra, known as Theorem of Chakerian, to all normed planes. In order to investigate bodies of constant width, we develop a concept of affine orthogonality, which is new even for the Euclidean subcase. In Chapter 2 we solve kissing, covering, and packing problems. For a given family of circles and lines we find at least one, but for some families even all circles kissing all the members of this family. For that reason we prove that a strictly convex, smooth normed plane is a topological Möbius plane. We give an exact geometric description of the maximal radius of all homothets of the unit disc that can be covered by 3 or 4 translates of it. Also we investigate configurations related to such coverings, namely a regular 4-covering and a Miquelian configuration of circles. We find the concealment number for a packing of translates of the unit ball.

The thesis contains information about the design of pressure vessels and describes their individual parts. It is mentioned production of individual parts and the process including assembly parts in one unit. The thesis includes options of control and testing of pressure vessels. It is described kinds of built-ins of distillation column and the basic principles and types of distillation. It is created stress analysis of pressure vessels parts according to ČSN EN 13 445 – 3, and also stress analysis of the selected part of column by using FEM. Mechanical drawing of distillation column is part of the thesis.