Lorsqu'un verre libère trop rapidement le gaz qu'il contient, la disparition des arômes véhiculés par la bulle est soudaine et irrémédiable. Ainsi, la connaissance des mécanismes physiques à l'origine de la libération du CO2 dans un verre de champagne doit permettre de mener à une forme de verre propice à un épanouissement des arômes et à une effervescence durable. La contribution des processus convectifs de brassage du vin sur la désorption du CO2 demeure assez mal connue. Pour approfondir notre compréhension de ces aspects, nous analysons les processus de libération du dioxyde de carbone au cours d'une dégustation. La démarche adoptée dans cette thèse consiste à étudier les mécanismes de transferts de masse (nucléation, diffusion, évaporation) entre les phases liquide et gazeuse. Par le biais de méthodes expérimentales (tomographie laser, PIV, thermographie IR) et numérique (code CFD), nous réalisons le suivi de l'évolution instationnaire de l'écoulement diphasique dans un verre de champagne. Nous mettons en évidence un écoulement complexe, composé de multiples instabilités hydrodynamiques. Les résultats montrent également que la libération du CO2 dépend intimement de la forme du verre et de la température de service du vin. En mettant en évidence le rôle de la forme du verre sur la libération du CO2, ces travaux ont permis d'améliorer la connaissance des paramètres qui affectent ou favorisent l'effervescence au cours d'une dégustation. Ces conclusions devront être confirmées par un panel de dégustation pour montrer que la libération des arômes est étroitement liée à la forme du verre qui reçoit le vin. / When a glass releases too quickly his dissolved gas, the loss of the aromas carried by the bubbles is sudden and irreversible. So, the knowledge of the physical mechanisms at the origin of CO2 release in a glass of champagne should lead to a glass shape conducive to aromas development and at a sustainable effervescence.The contribution of mechanisms of admixture of the wine on the CO2 desorption in a glass of champagne remains still unknown. To deepen our understanding of these aspects, we analyze the carbon dioxide release processes in tasting conditions. The approach adopted in this thesis consists in studying the mass transfer mechanisms (nucleation, diffusion, evaporation) between the liquid and gaseous phase. By experimental (laser tomography, PIV, IR thermography) and numerical ways (CFD), we follow the unsteady evolution of the two phase flow in a champagne glass. We highlight a complex flow, composed of multiple hydrodynamic instabilities. The results show also that the CO2 release strongly depends on the glass shape and on the wine temperature.By highlighting the glass shape on the carbon dioxide release, these works allowed to improve the parameters knowledge which affect or favor the effervescence process in tasting conditions. These conclusions must be confirmed by a tasting panel to show that the aromas release is closely related to the glass shape.

Le travail mené dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement au sein d’un éjecteur supersonique. Le régime d’écoulement qui s’installe dans ces appareils est très complexe du fait des phénomènes physiques qui les caractérisent comme la turbulence et les ondes de choc. Les méthodes expérimentales utilisées sont la mesure de la pression le long de l’axe de l’éjecteur `a l’aide d’une sonde développée à cet effet, la visualisation de l’écoulement par tomographie laser et la mesure de vitesse par PIV. Les simulations numériques sont réalisées à l’aide du code Ansys-Fluent en 2D axisymétrique et en 3D. Dans un premier temps, une étude de sensibilité du modèle numérique portant sur les paramètres de simulations et les modèles de turbulence est menée sur l’éjecteur fonctionnant sans flux induit. La validation des simulations repose sur une comparaison des résultats numériques avec des mesures de vitesse par PIV. Un modèle 3D s’est avéré incontournable pour l’étude de l’écoulement dans l’éjecteur avec flux induit à cause de sa géométrie complexe. Les outils expérimentaux et numériques développés permettent d’analyser finement l’interaction des flux moteur et induit, en particulier les processus de recompression par chocs obliques et de mélange. Une tentative de modélisation par LES des instabilités de l’écoulement détectées expérimentalement est également abordée. / The work reported in this thesis relates to the experimental and numerical studies of the flow within a supersonic ejector. The flow pattern which occurs in these apparatuses is very complex because of the flow phenomena encountered like flow turbulence and shock waves. The experimental methods used are the measurement of the pressure along the axis of the ejector using a specific probe developed for this purpose, the flow visualization by laser tomography and the velocity measurement by PIV. The numerical simulations are carried out using the Ansys-Fluent code with 2D axisymmetric and 3D models. First, a study of sensitivity to the numerical parameters of simulation and to the turbulence models is carried out on the ejector operating without induced flow. The validation of the simulations is achieved by a comparison between the numerical results and velocity measurements by PIV. A 3D model is necessary for the simulation of the flow in the ejector operating with induced flow because of the complex ejector geometry. The experimental techniques and the numericalmodels developed make it possible to analyze the interaction of the primary and secondary flows, in particular the process of recompression by oblique shocks and the mixing process. An attempt at modeling by LES simulation the flow instabilities detected during experiments is also approached.

[pt] O escoamento entre cilindros concêntricos com rotação do cilindro interno com a imposiçãao de um gradiente axial de pressão foi estudado experimentalmente. A razão de raios era (n)= 0, 64 e razão de aspecto era (r) = 265. O fator de atrito e campos de velocidade foram estudados para quatro rotações diferentes do cilindro interno e para os três regimes de escoamento, laminar, transição laminar- turbulento, e turbulento. Os Campos de velocidades foram obtidos através da técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Os resultados para os fatores de atrito revelaram que a influência da rotação é mais pronunciada para regimes laminares e de transição. Para estes dois regimes o aumento observado foi de 100% de f/f0. Para o regime de escoamento turbulento, o aumento foi decrescendo gradativamente até o valor de 10% de f/f0 para Reaxial = 8458. Os campos de velocidade instantâneos relevaram padrões complexos do escoamento. Os perfis de velocidade axial médios tomavam uma forma achatada com o aumento da rotação do cilindro interno e do número de Reynolds axial. Para o regime de escoamento turbulento a influência da rotação do cilindro nos perfis de velocidade era pequena. / [en] The flow between concentric cylinders with an inner rotating cylinder with an imposed pressure-driven axial flow was studied experimentally. The radius ratio was (n) = 0, 64 and the aspect ration was (r) = 265. Friction factor and velocity fields were studied for four rotations of the inner cylinder and for laminar, transitional, and turbulent flow. Velocity fields were measure by Particle Image Velocimetry (PIV). The results for friction factor showed that the influence of the rotation is more apparent for laminar and transitional flow, increasing with the rotation of the inner cylinder. For these two flows, the increasing was 100% of f/f0. For turbulent flow, the increasing was gradualy decreasing to 10% of f/f0 for Reaxial = 8458. Instantaneous velocity fields showed complex flow patterns. The time average axial velocity profiles showed a top hat like form with the increasing of inner cylinder rotation and axial Reynolds numbers. For turbulent flow, the influence of rotation in the velocity profiles was small.

L'objet de ce travail de recherche est d'estimer le rôle des structures tourbillonnaires pour améliorer l'efficacité des refroidisseurs microfluidiques. Cette problématique a été étudiée en deux parties. L'objectif de la première partie est de quantifier les transferts thermiques engendrés par des tourbillons lors de leur interaction avec une paroi chaude. Ceci a été réalisé numériquement en deux étapes. La première étape a pour vocation d'améliorer la compréhension des processus de transferts thermiques d'un tourbillon transporté dans un écoulement laminaire. Deux processus majeurs ont été mis en avant : l'advection des particules froides vers la paroi chaude et le mélange par advection.Suite à ces observations, les transferts thermiques induis par une structure tourbillonnaire ont été optimisés en fonction de ses caractéristiques initiales. Cette optimisation a permis d'augmenter l'efficacité d'un système de refroidissement microfluidique de plus de 50% dans le cas d'une allée tourbillonnaire.La seconde partie couple une étude expérimentale à un modèle numérique. Cette étude se focalise sur le formation des structures tourbillonnaires à l'échelle micrométrique. Les structures tourbillonnaires sont générées par le couplage d'un micro jet synthétique à un écoulement transverse. Dans cette configuration, plusieurs topologies de structures tourbillonnaires ont été observées en fonction du nombre de Reynolds du jet et de l'écoulement. Ces différentes topologies ont été cartographiées en fonction des nombres de Reynolds du système. Finalement, pour une certaine topologie de tourbillon il a été possible de lier leurs caractéristiques aux paramètres de contrôle du système. Grâce à cette relation, il est possible de contrôler le type de structures formées par le système de refroidissement / The purpose of this research paper is to determine the role of vortical structures in the improvement of microfluidic cooling systems’ efficiency.This study is presented in two parts. The aim of the first part is to measure heat transfers produced by vortices while interacting with a hot wall. This part was carried out numerically following two steps. The aim of the first step was to improve the understanding of the processes involved during heat transfers in a vortex convected in a laminar flow. As a result, two major processes can be highlighted : the advection of cold particles to the hot wall and an advective mixing. Following these observations, heat transfers produced by a vortical structure were optimized in accordance with its initial characteristics. Consequently, the optimization of heat transfers increased microfluidic cooling systems’ efficiency by more than 50% in the case of vortex streets.The second part combines an experimental study with a numerical model. This study focuses on the creation of vortical structures on a microscopic scale. For this purpose, vortical structures are produced by combination of a synthetic micro jet with a crossflow. The outcome is that several topologies of vortical structures can be observed depending on the Reynolds number of the jet and the crossflow. These topologies can be mapped according to the Reynolds numbers of the system. As a result, a connection can be made between characteristics of some topologies of vortices and control parameters of the system. As a conclusion, the type of structures produced by the cooling system can be controlled

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des instabilités de Saffman-Taylor de fluides complexes modèles. Ces derniers sont des solutions de Xanthane dont le caractère rhéofluidifiant augmente avec la concentration en polymère. Dans un premier temps, nous avons étudié les propriétés rhéologiques de ces fluides modèles puis nous avons caractérisé leurs propriétés d'écoulement dans une cellule de Hele-Shaw de forte épaisseur. Dans un deuxième temps, nous avons mesuré par PIV (Particles Image Velocimetry) la distribution du champ de vitesse autour des doigts de Saffman-Taylor pour l'ensemble des fluides étudiés. Afin de valider les expériences de PIV, nous avons caractérisé les vitesses de sédimentation des traceurs, par la technique complémentaire de vélocimétrie par Speckle ultrasonore (Ultrasonic Speckle Velocimetry). Nous avons montré expérimentalement que le champ de vitesse pour tous les fluides est irrotationnel et que la forme du doigt peut être modélisé par un écoulement potentiel autour d'un solide de Rankine. Les expériences ont établi que le rayon de courbure à l'extrémité des doigts est l'unique paramètre qui dépend des propriétés rhéologiques des solutions de Xanthane. De plus, ce paramètre conditionne toute l'hydrodynamique autour des doigts de Saffman-Taylor. / This thesis is devoted to the study of Saffman-Taylor instabilities of complex fluids models. These are solutions of xanthan whose shear thinning behavior increases with polymer concentration.Initially, we studied the rheological properties of model fluids and then we characterized the properties of flow in a Hele-Shaw thick. In a second step, we measured by PIV (Particle Image Velocimetry) distribution of the velocity field around the fingers of Saffman-Taylor for all fluids studied. To validate the PIV experiments, we characterized the sedimentation rates of tracers, by the complementary technique of ultrasonic speckle velocimetry (Ultrasonic Speckle Velocimetry).We have shown experimentally that the velocity field for all fluids is irrotational and that the shape of the finger can be modeled by a potential flow around a Rankine solid. Experiments have shown that the radius of curvature at the top of the fingers is the only parameter which depends on the rheological properties of xanthan solutions.In addition, this parameter influences the whole hydrodynamic around Saffman-Taylor fingers.

[pt] Escoamentos intermitentes gás-líquido são encontrados em diversas aplicações de engenharia, como em linhas de produção de petróleo e em sistemas de refrigeração de reatores nucleares. O conhecimento detalhado deste padrão de escoamento é indispensável para a construção de modelos matemáticos representativos deste fenômeno físico complexo. No presente trabalho, foi desenvolvido um estudo experimental com o objetivo de fornecer informações que possibilitem a melhoria dos modelos existentes para o escoamento bifásico intermitente em duto horizontal. A técnica de velocimetria por imagem de partículas estereoscópica (SPIV) de alta frequência foi empregada, em conjunto com a técnica de fluorescência induzida por laser (LIF), permitindo a obtenção de campos de velocidade na região do pistão de líquido, a jusante da bolha alongada, e na região do filme líquido, a montante da bolha. O arranjo experimental possibilitou a medição das três componentes do vetor velocidade do escoamento bifásico água-glicerina e ar na seção transversal de uma tubulação horizontal de 40mm de diâmetro interno. Os resultados obtidos, originais na literatura, mostraram a evolução detalhada das três componentes dos campos médios do vetor velocidade ao longo da passagem da bolha alongada durante o escoamento intermitente. / [en] Gas-liquid intermittent flows can be found in many engineering applications, such as oil production lines and nuclear reactors cooling systems. The detailed knowledge of this flow pattern is necessary for the development of accurate mathematical models of this complex phenomenon. In this work, an experimental study was developed with the goal to provide data that could be used to improve the existing models for two-phase intermittent flow in horizontal pipes. The high-frequency stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) technique was employed along with the laser induced fluorescence (LIF) technique, allowing the measurement of velocity fields in the liquid slug, downstream of the elongated bubble, and in the liquid film, upstream of the elongated bubble. The experimental arrangement allowed the measurement of the three components of the velocity vector in an intermittent two-phase water-glycerine and air flow, in a transversal sections of a 40mm internal diameter horizontal pipe. The results obtained revealed original detailed information on the evolution of the three components of the averaged velocity field associated with the passage of the elongated bubble characteristic of the intermittent flow.

This theses deals with flow of two immisible fluid in horizontal pipeline. First part teoretically describes immisible flow. What follows is experimental measurement in wich experimental track was adjusted for inlet of oil from the top. Water and corn germ oil were used as fluids. There were observed many modes of flow on the track. After that PIV was described and measured. PIV was done for measurement of values of velocity vectors. Simulation of one chosen mode was developed in the last chapter. This simulation was done in Ansys Fluent with help of VOF method. Simulation was done both in 3D and 2D pipeline. In the end these simulation were compared with experiment measurement and were critically evaluated.

Chaque année en France, les feux de compartiments donnent lieu à plus de 88 000 interventions impliquant plus de 15 000 personnes dont plusieurs centaines de décès et de blessés graves. Aujourd’hui, lors de ces feux, les prises de décision et les délais d’intervention des équipes de secours sont principalement basés sur des décisions humaines, fruits de l'expérience. Une connaissance parfaite de la situation, de son évolution dans le temps et des dangers qui peuvent apparaître est impossible. C’est en partie la cause majeure des mauvais chiffres répertoriés ci-dessus. En effet, les processus physicochimiques qui régissent les feux de compartiments et les situations collatérales extrêmement réactives et dangereuses sont complexes. La transition entre un feu localisé et un feu généralisé peut prendre plusieurs formes. L'un des vecteurs les plus importants dans la propagation de la combustion pour les feux de compartiments sont les fumées, du fait de leur température élevée (souvent supérieure à 600°C) et des quantités importantes d’énergie, sous forme de chaleur, qu'elles contiennent. Malgré leur extrême dangerosité, les fumées restent importantes à étudier car elles véhiculent de précieuses informations, notamment sur l’apparition de phénomènes thermiques redoutés par les pompiers. Afin de mener cette étude, une cellule expérimentale composé de deux containers maritimes a été installée sur le site de formation incendie des sapeurs-pompiers de Seine-Maritime. Cette plateforme va permettre, grâce à un brûleur alimenté en propane, de produire des fumées chaudes dans uneconfiguration dite « feu réel ». Elles seront analysées en partie grâce à une technique de mesure non intrusive, la PIV. Les mesures par PIV grands champs seront comparées à des simulations LES de l’expérience (FDS). La double compétence (numérique / expérimentale) est essentielle dans ce type d’étude où les données expérimentales souffrent d’un manque de résolution (spatiale et temporelle) mais pour autant représentent des informations nécessaires à la validation des codes. / Each year in France, compartment fires result in more than 88,000 interventions involving more than 15,000 people, including several hundred deaths and serious injuries. Today, during fire compartments, the decision-making of the rescue teams is mainly based on human decisions, as a result of the accumulated experience. However, a perfect knowledge of the situation, its evolution over time and the dangers that may appear is impossible. Therefore, studying the fumes is of major interest. Indeed, smoke remains important to study because it conveys valuable information, especially on the appearance of thermal phenomena feared by firemen. In order to carry out this study, an experimental cell made up of two maritime containers was installed on the site of the Seine-Maritime fire brigade fire training. This platform will produce hot smokes in a configuration called "real fire" thanks to a propane burner. In this study, the smoke dynamics in a large scale experimental setup is analyzed using a non-intrusive measurement technique such as PIV (Particle Image Velocity). All the performed measurements are compared with LES (Large Eddy Simulation) simulations of the experiment using Fire Dynamics Simulator (FDS). The double expertise (numerical / experimental) is essential in this type of study where the experimental data suffer from a lack of resolution (spatial and temporal) but nevertheless represents an important source of information necessary for the validation of the codes.

Umströmte Rohr- bzw. Stabbündel sind als Übertrager von Wärmeenergie in einem breiten Spektrum von Anwendungsgebieten zu finden. Beispiele sind Heizkörper, Kühlaggregate, Heizpatronen, industrielle Wärmetauscher und Brennelemente in Kernreaktoren. Für jede dieser Anwendungen besteht die Anforderung, die Wärmeübertragung an den Wärmeübertragerflächen zu optimieren. Dabei besteht eine enge Kopplung zwischen Wärmetransport und Strömungsstruktur. Eine besonders effiziente Form der Wärmeübertragung ist die Verdampfung. Diese wird unter anderem bei Brennelementen in Druckwasserreaktoren genutzt. Hier siedet das Kühlwasser an der Brennstaboberfläche. Durch Kondensation der Dampfblasen in der unterkühlten Kernströmung wird die Wärme dann effizient in die Flüssigphase übertragen. Durch die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers wird beim Strömungssieden ein viel höherer Wärmestrom in das Kühlwasser übertragen, als bei rein einphasig-konvektivem Wärmetransport. Sicherheitstechnisch relevant für Brennelemente in Leichtwasserreaktoren ist der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden (kritischer Wärmestrom). Dieser muss unter allen Umständen vermieden werden, um die Integrität der Brennstabhüllen zu gewährleisten, die bei Überschreiten der kritischen Heizflächenbelastung aufschmelzen bzw. reißen können. Aus diesem Grund werden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes (Förderkennzeichen 02NUK010A) numerische Strömungsberechnungsmodelle entwickelt, die bei der Beschreibung und numerischen Behandlung der Siedephänomene helfen sollen. Zur Validierung dieser Modelle anhand von Experimenten wurde ein Strömungskanal konstruiert, in dem ein vertikales Stabbündel von einem Kältemittel (RC318) aufwärtig durchströmt wird. Der Versuchsstand ist so konzipiert, dass ein optischer und messtechnischer Zugang zu den umströmten Einbauten gegeben ist. Damit sind Messungen in Zweiphasenströmungen ebenso möglich, wie Untersuchungen zur einphasigen Durchströmung. Für später erfolgende Zweiphasen-Experimente mit Stabbeheizung wurden zunächst Voruntersuchungen zur einphasigen Durchströmungen durchgeführt, welche insbesondere Aufschluss über die Homogenität der Strömung in den Unterkanälen sowie die Existenz von Querströmungen geben sollten. Als Messverfahren dafür wurde die Particle Image Velocimetry (PIV) ausgewählt, welche es ermöglicht, zweidimensionale Strömungsfelder aufzuzeichnen. Die experimentellen Studien erfolgten am Optical Multi-Phase Flow Research Laboratory des Nuclear Engineering Department der Texas A&M University in College Station, USA. Die Untersuchungen wurden für drei Volumenstromraten durchgeführt. Der vorliegende Bericht umfasst die Beschreibung des Versuchsstandes und der Messmethodik, eine Vorstellung des Auswerteverfahrens und relevanter Ergebnisse sowie eine Fehlerbetrachtung.

Bubbly flows can be found in many applications in chemical, biological and power engineering. Reliable simulation tools of such flows that allow the design of new processes and optimization of existing one are therefore highly desirable. CFD-simulations applying the multi-fluid approach are very promising to provide such a design tool for complete facilities. In the multi-fluid approach, however, closure models have to be formulated to model the interaction between the continuous and dispersed phase. Due to the complex nature of bubbly flows, different phenomena have to be taken into account and for every phenomenon different closure models exist. Therefore, reliable predictions of unknown bubbly flows are not yet possible with the multi-fluid approach. A strategy to overcome this problem is to define a baseline model in which the closure models including the model constants are fixed so that the limitations of the modeling can be evaluated by validating it on different experiments. Afterwards, the shortcomings are identified so that the baseline model can be stepwise improved without losing the validity for the already validated cases. This development of a baseline model is done in the present work by validating the baseline model developed at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mainly basing on experimental data for bubbly pipe flows to bubble columns, bubble plumes and airlift reactors that are relevant in chemical and biological engineering applications. In the present work, a large variety of such setups is used for validation. The buoyancy driven bubbly flows showed thereby a transient behavior on the scale of the facility. Since such large scales are characterized by the geometry of the facility, turbulence models cannot describe them. Therefore, the transient simulation of bubbly flows with two equation models based on the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations is investigated. In combination with the before mentioned baseline model these transient simulations can reproduce many experimental setups without fitting any model. Nevertheless, shortcomings are identified that need to be further investigated to improve the baseline model. For a validation of models, experiments that describe as far as possible all relevant phenomena of bubbly flows are needed. Since such data are rare in the literature, CFD-grade experiments in an airlift reactor were conducted in the present work. Concepts to measure the bubble size distribution and liquid velocities are developed for this purpose. In particular, the liquid velocity measurements are difficult; a sampling bias that was not yet described in the literature is identified. To overcome this error, a hold processor is developed. The closure models are usually formulated based on single bubble experiments in simplified conditions. In particular, the lift force was not yet measured in low Morton number systems under turbulent conditions. A new experimental method is developed in the present work to determine the lift force coefficient in such flow conditions without the aid of moving parts so that the lift force can be measured in any chemical system easily.