In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente zur Fallgewichtsverdichtung in Modellversuchen im Erdschwerefeld (1g) durchgeführt. Ziel der Versuche war es, das Verformungsverhalten eines Versuchssandes in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen und Nachrechnungen im Sinne von Benchmark-Tests zu ermöglichen. Die messtechnische Erfassung des Bodenverhaltens erfolgte vor allem durch die optische Messmethode der digitalen Bildkorrelation (DIC, englisch: Digital Image Correlation). Ein wichtiger Teil der Arbeiten war in diesem Zusammen-hang die Eignungsprüfung der Messmethode an den eigenen Versuchsständen. Im Rahmen einer Variantenstudie mit 22 Modellkonfigurationen wurde zudem die Bedeutung von Steuergrößen der Fallgewichtsverdichtung hinter-fragt. Numerische Berechnungen wurden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Mit den Versuchen konnte Verschiebungen des Versuchssandes an der Sicht-ebene in hoher räumlicher Auflösung gemessen werden. Für die Erfassung bodendynamischer Vorgänge konnte die DIC-Auswertung von Hochge-schwindigkeitsaufnahmen sowie von Beschleunigungssensoren im Boden erfolgreich eingesetzt werden. Die DIC-Messung eines Granulats hinter einer transparenten Sichtebene führt zu einer Streuung der Verschiebungsergebnisse, was wiederum negative Auswirkung auf die Ermittlung von kleinräumigen Dehnungen hat. Eine besondere Herausforderung stellte in diesem Zu-sammenhang die Erfassung einer Änderung der Dichte bzw. Porenzahl über die naturgemäß kleinen Betragsänderungen der volumetrischen Dehnung dar. Das Verformungsverhalten des Versuchssandes zeigte bei der Fallgewichts-verdichtung große Ähnlichkeiten zu Versuchen mit statischer Auflast. Ergebnisse der Variantenstudie zeigen Zusammenhänge zwischen Steuergrößen der Fallgewichtsverdichtung und der Einflusstiefe auf. Es wird deutlich, dass die in der Baupraxis verbreitete Größe der potentiellen Fallenergie nur begrenzt für eine Klassifizierung von Fallgewichtskonfigurationen geeignet ist.:1 Einleitung 1 2 Zur praktischen Bedeutung der Fallgewichtsverdichtung 6 2.1 Geschichte der Verdichtung mit Fallgewichten 6 2.2 Anwendungsbereiche 6 2.3 Bodenmechanische Vorgänge während der Verdichtung 8 2.4 Wellenausbreitung bei impulsförmigem Energieeintrag 8 2.5 Bewertung des Verdichtungserfolges 9 3 Überblick zu experimentellen und rechnerischen Untersuchungen zur Fallgewichtsverdichtung 11 3.1 Feldversuche 11 3.2 Modellversuche 12 3.3 Berechnungsverfahren 29 4 Versuchstechnische Grundlagen 34 4.1 Geotechnische Experimente und deren Anforderung 34 4.2 Konzeption von Modellversuchen 35 4.3 Wahl und Realisierung von Randbedingungen 38 4.4 Erfassung und Auswertung von Messgrößen 38 4.5 Digital Image Correlation (DIC) 40 5 Versuchssand, Versuchsstände und Einbaumethoden 52 5.1 Versuchssand 52 5.2 Versuchsstand-C 54 5.3 Versuchsstand-S 57 5.4 Versuchsstand-M 61 5.5 Einbaumethoden 68 5.6 Kontrolle der Probenhomogenität 73 6 Versuche mit statischer Auflast 79 6.1 Versuchsprogramm und Ziele 79 6.2 Kompressionsversuche 81 6.3 Streifen- und Kreisfundamentversuche 93 6.4 Ergänzende Messungen 103 6.5 Zusammenfassung 106 7 Versuche mit skalierten Fallgewichten 108 7.1 Versuchsprogramm und Ziele 108 7.2 Fallgewichtsversuche im ebenen Verformungszustand 109 7.3 Fallgewichtsversuche als Halbmodell 115 7.4 Ergebnisse zusätzlicher Sondierungen 122 7.5 Ergänzende Messungen 125 7.6 Kinematik 130 7.7 Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 133 7.8 Zusammenfassung 150 8 Vergleich zwischen statischen und dynamischen Versuchen 153 9 Numerische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode 157 9.1 Grundlagen der verwendeten Finite-Elemente-Methode 157 9.2 Bestimmung der Stoffmodellparameter 160 9.3 Simulation der Kompressionsversuche 161 9.4 Simulation der Streifenfundamentversuche 170 9.5 Simulation der Fallgewichtsversuche 176 9.6 Kinematik 182 9.7 Zusammenfassung 186 10 Zusammenfassung 188 11 Ausblick Literaturverzeichnis 196 Anhang A Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 204 A.1 Einzelversuche am Versuchsstand-S 204 A.2 Einzelversuche am Versuchsstand-M 208 Anhang B DIC-Studien an idealisiertem Versuchsaufbau 213 Anhang C Studie zu Zwischenbezugsschritten in ISTRA4D 220 Anhang D Studie zur Ermittlung von Dehnungen in ISTRA4D 223 Anhang E Kalibrierung der Stoffmodellparameter in Abaqus 227 Anhang F Hypoplastisches Stoffmodell ohne intergranulare Dehnung 229 Anhang G Hypoplastisches Stoffmodell mit intergranularer Dehnung 232 / A quantitative validation of numerical simulations of soil dynamic problems and the derivation of physical relationships needs appropriate experimental data. Within the scope of the present work, experiments on the heavy tamping in small-scaled models in earth's gravity (1g) were developed. The aim of the experiments was to record the deformation behavior of a test sand in high spatial and temporal resolution and to allow re-calculations in the sense of benchmark tests. The optical measuring method of digital image correlation (DIC) were mainly carried out for the metrological recording of the soil behavior. By comparing discrete image areas of a few grains of sand (patches), it is possible to full-field capture soil displacements behind a vertical viewing plane. In this context, an important part of the work was the suitability test of the measuring method at the own experiments. A variant study with 22 model configurations also questioned the importance of control factors of heavy tamping. The numerical calculations were performed with the finite element method (FEM) in Abaqus. Therefore, the simulation of individual special tests with static load were done using classical Lagrangian FEM. Experiments as well as with large soil deformations as well as heavy tamping were modeled using the Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) method. As material model, a formulation of the hypoplasticity with extension to the concept of intergranular strains was used. The experiments showed that the optical measuring method of the DIC is capable of reliably detecting shifts of the test sand at the viewing plane in high spatial resolution. For the acquisition of soil dynamic processes, the DIC evaluation of high-speed recordings as well as of acceleration sensors in the soil could be successfully carried out. Experimental and metrological challenges resulted from the effects of optical refraction through the viewing plane as well as the detection and tracking of patterns of individual patches. In comparison to direct measurement on rigid bodies, the detection of a granulate behind a transparent viewing plane leads to a greater scattering of the displacement results, which in turn has a negative effect on the determination of small-scale strains in the measuring plane. A particular challenge in this context was the detection of a change in the density or pore number over the inherently small changes in the magnitude of the volumetric strain. Remarkably, the deformation behavior of the sand in medium-dense storage showed under the influence of falling-weight compacting great similarities to the deformation behavior under static loading. With both load models, the measurement results point to successful compaction work below and to the side of the load transfer, which are due to vertical or horizontal strain components. The results of the study on heavy tamping show correlations between the control factors of heavy tamping to an influence depth. The study shows that the size of the potential fall energy, which is common in construction practice, is only limitedly suitable for the classification of heavy tamping configurations. The evaluation of a series of drops proves the possibilities of correlation between state variables of a soil such as void ratio or degree of compaction and the velocity of the propagation waves in the soil. In numerical calculations, the deformation behavior of static load tests could be reproduced well. It showed the importance of a sufficient consideration of boundary conditions like friction between sand and container wall, container deformations and silo effects in narrow containers. Recalculations of the heavy tamping tests led to plausible results with a significant compaction effect below the drop weight, which is amplified in further drops and extended to greater depths. This also corresponds to the experimental results as well as the contexts known in practical engineering.:1 Einleitung 1 2 Zur praktischen Bedeutung der Fallgewichtsverdichtung 6 2.1 Geschichte der Verdichtung mit Fallgewichten 6 2.2 Anwendungsbereiche 6 2.3 Bodenmechanische Vorgänge während der Verdichtung 8 2.4 Wellenausbreitung bei impulsförmigem Energieeintrag 8 2.5 Bewertung des Verdichtungserfolges 9 3 Überblick zu experimentellen und rechnerischen Untersuchungen zur Fallgewichtsverdichtung 11 3.1 Feldversuche 11 3.2 Modellversuche 12 3.3 Berechnungsverfahren 29 4 Versuchstechnische Grundlagen 34 4.1 Geotechnische Experimente und deren Anforderung 34 4.2 Konzeption von Modellversuchen 35 4.3 Wahl und Realisierung von Randbedingungen 38 4.4 Erfassung und Auswertung von Messgrößen 38 4.5 Digital Image Correlation (DIC) 40 5 Versuchssand, Versuchsstände und Einbaumethoden 52 5.1 Versuchssand 52 5.2 Versuchsstand-C 54 5.3 Versuchsstand-S 57 5.4 Versuchsstand-M 61 5.5 Einbaumethoden 68 5.6 Kontrolle der Probenhomogenität 73 6 Versuche mit statischer Auflast 79 6.1 Versuchsprogramm und Ziele 79 6.2 Kompressionsversuche 81 6.3 Streifen- und Kreisfundamentversuche 93 6.4 Ergänzende Messungen 103 6.5 Zusammenfassung 106 7 Versuche mit skalierten Fallgewichten 108 7.1 Versuchsprogramm und Ziele 108 7.2 Fallgewichtsversuche im ebenen Verformungszustand 109 7.3 Fallgewichtsversuche als Halbmodell 115 7.4 Ergebnisse zusätzlicher Sondierungen 122 7.5 Ergänzende Messungen 125 7.6 Kinematik 130 7.7 Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 133 7.8 Zusammenfassung 150 8 Vergleich zwischen statischen und dynamischen Versuchen 153 9 Numerische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode 157 9.1 Grundlagen der verwendeten Finite-Elemente-Methode 157 9.2 Bestimmung der Stoffmodellparameter 160 9.3 Simulation der Kompressionsversuche 161 9.4 Simulation der Streifenfundamentversuche 170 9.5 Simulation der Fallgewichtsversuche 176 9.6 Kinematik 182 9.7 Zusammenfassung 186 10 Zusammenfassung 188 11 Ausblick Literaturverzeichnis 196 Anhang A Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 204 A.1 Einzelversuche am Versuchsstand-S 204 A.2 Einzelversuche am Versuchsstand-M 208 Anhang B DIC-Studien an idealisiertem Versuchsaufbau 213 Anhang C Studie zu Zwischenbezugsschritten in ISTRA4D 220 Anhang D Studie zur Ermittlung von Dehnungen in ISTRA4D 223 Anhang E Kalibrierung der Stoffmodellparameter in Abaqus 227 Anhang F Hypoplastisches Stoffmodell ohne intergranulare Dehnung 229 Anhang G Hypoplastisches Stoffmodell mit intergranularer Dehnung 232

L'étude concerne les couches limites turbulentes dans le cas d'écoulements à surface libre sur fond rugueux homogène. Afin de réaliser cette étude, deux dispositifs de mesure PIV par stéréoscopie (PIV 2D-3C) ont été mis en place avec comme double objectif de fournir les lignes directrices au design d'un système stéréoscopique PIV in situ et d'étudier l'influence de la faible submersion des éléments rugueux sur la structure universelle de la couche limite sur fond rugueux, i.e. pour des submersions h/D comprises entre 0,33 et 0,66 (avec h la hauteur des rugosités et D la hauteur d'eau). Pour le premier objectif, le dispositif de mesure a permis un accès optique facilité par un point de vue incliné des caméras à la zone proche des rugosités dans des conditions naturelles d'écoulement (turbidité et éclairement naturels). Les mesures de vitesse ont été faites dans un canal hydraulique de petite dimension (12 m x 0,5 m x 0,25 m) rempli d'hémisphères positionnées en quinconce. Une étude paramétrique de l'influence de l'inclinaison des caméras ainsi que de la turbidité de l'eau sur la qualité des mesures de vitesse a été entreprise suivie par une nouvelle méthodologie basée sur l'analyse de l'intensité lumineuse dans le système. Il a été montré que l'écoulement est correctement résolu jusqu'à une turbidité d'environ 25 NTU avec un angle d'inclinaison par rapport au plan vertical de mesure de 25°. Pour le second objectif, les investigations expérimentales ont été réalisées dans une veine hydraulique de plus grande dimension (26 m x 1,10 m x 0,50 m), dont le fond rugueux est constitué par des cubes en PVC de 2 cm de côté comme dans l'étude de Florens et al. (2013). Les résultats mettent en évidence que l'étendue de la sous-couche rugueuse augmente avec la submersion pour finalement occuper toute la colonne d'eau dans le cas de la plus faible submersion (h/D=0,66). Malgré cela, une loi logarithmique est tout de même observée, et ce, quelle que soit la submersion étudiée. / This work deals with turbulent boundary layers in open-channel flows over rough homogeneous beds. The objectives of this work are, first, to provide some guidance for the design of an efficient in situ stereoscopic PIV measurements system (SPIV), and, second, to assess the effect of the relative submergence on the universal turbulent boundary layer structure for very high relative submergence ratios, i:e: 0.33 < h/D <0.66 (where h is the roughness height and D the water depth). For the first objective, a stereoscopic PIV configuration was set-up with steeply inclined camera viewpoints in order to improve the image quality and the optical access into the bed canopy under naturally occurring turbid conditions. Velocity measurements were undertaken in a 12 m x 0.5 m x 0.25 m open-channel flume filled with staggered hemispheres as surrogates for bed river peebles. A parametric study was then carried out to both analyze how the turbidity and camera angle impact the quality of PIV measurements. An innovative light intensity-based methodology was developed and applied to perform data analysis. The latter shows good PIV results up to 25 NTU with an optimal camera angle with respect to the vertical PIV measurements plane of 25. The SPIV measurements for the second objective were performed in a 26-m-long, 1.10-m-wide and 0.50-m-deep steep open channel filled with 2-cm cubes as in Florens et al. (2013). The results show that the extent of the roughness sublayer increases with the relative submergence to fill the entire water column for the highest relative submergence investigated. Despite this, the logarithmic law is still observed even for the highest relative submergence studied (h/D=0.66).

Pour améliorer les performances des robots sous marins, l’une des approches poursuivie par les roboticiens, appelée biomimétisme, consiste à imiter ou à s’inspirer des systèmes vivants pour concevoir des robots de nouvelle génération. C’est dans ce contexte que s’est récemment déroulé un projet européen nommé ANGELS, dont l’objectif est la réalisation d’un robot bio-inspiré de l’anguille. Ce travail expérimental s’inscrit dans ce projet et est consacré à l’étude de la nage du robot. Les expériences ont été réalisées dans un canal hydraulique conçu pour cette étude. Dans un premier temps, nous avons caractérisé par traitement d’images les allures (i.e. les lois de déformation du corps) adoptées par une anguille nageant soit dans un écoulement uniforme frontal ou dans un courant traversier. Cette étude a donné lieu à l’établissement d’un modèle mathématique corrélatif de la déformation du corps de l’anguille dans ces conditions de nage. Dans un second temps, afin d’étudier les effets de la déformation du corps sur l’écoulement latéral, produit lors de la nage, des expériences par PIV ont été réalisées sur différents modèles de cylindres elliptiques rigides. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre et de valider une approche théorique permettant de calculer la force de propulsion en réponse à la loi de déformation du corps. Enfin, des expériences portant sur la nage anguilliforme dans un écoulement de type allée de von-Kàrmàn ont été réalisées en vue d’étudier les interactions hydrodynamiques et en particulier les mécanismes d’extraction de l’énergie de l’écoulement incident. Ces expériences ont été réalisées avec une anguille et un robot anguilliforme. Les expériences menées sur le robot montrent que pour une même loi de déformation du corps, la force de propulsion générée, en comparaison avec le cas de l’écoulement uniforme, peut sous certaines conditions être augmentée de près de 30 ont, quant à elles, permis de mettre clairement en évidence une modification de l’allure de nage de l’anguille lorsqu’elle est placée dans une allée de von-Kàrmàn. L’analyse qualitative de cette nouvelle allure nous a conduit à proposer un mode particulier d’extraction d’énergie de l’écoulement. / In order to improve the performance of the submarine robots, the robotics community has been considered a new approach known as the biomimetic. It consist on the study of a living systems such, fish, to design and construct a bio-inspired robot. In this context, recently was took place an European project called ANGELS, in which the objective is to design and construct a fish-like robot inspired from the swimming of the eel. This thesis takes place in this project and is dedicate to the study of the swimming of the robot. Experiments were carried out in a hydrodynamic test bed designed and entirely set up for this study. At first,the kinematic shapes (i.e. deformation of the body) adopted by living eel during its swimming against or slantwise a uniform flow, were characterized by mean ofan image processing analysis technique. This study has allowed the establishing of a mathematical correlative model, describing the deformation of the eel’s body in these swimming conditions. Secondly, we studied the effects of the body’s deformation on the lateral flow produced during swimming. PIV experiences were carried out on different elliptic cylinder shapes. These experiments have allowed the understanding and the validation of a theoretical approach, concerning the swimming dynamic of the fish, used to obtain the propulsion force produced in reply of the body deformation during swimming. Finally, experiments were carried out during the anguilliform swimming in a non-uniform flow such as, avon-Kàrmàn vortex street. The goal was to study the hydrodynamics interactions and in particular the mechanisms of the exploited vortices adopted by fish. These experiences were realized on the swimming of a living eel and an anguilliform robot. Experiments led on the robot show that under certain conditions, the propulsive force of the robot swimming in a von-Kàrmàn vortex street can be increased of about 30 comparison to its swimming in a uniform flow. Experiments with eel have allowed the highlighting of a particular shape of its body deformation formed when it’s swimming in a reverse von-Kàrmàn vortex street. The qualitative analysis realized on this kinematic observation led us to propose a mechanism adopted by the eel to exploited energy from altered flow.

Le développement actuel des moteurs doit répondre à une volonté de réduction de la consommation et à des normes de plus en plus sévères. Les moteurs Diesel, bien que performants, présentent des émissions trop importantes d'oxydes d'azote (NOx) et de particules de suies. Ces émissions polluantes proviennent essentiellement de l'existence de zones riches en carburant ne permettant pas une combustion optimale. La préparation du mélange air / carburant, fortement conditionné par l'entraînement d'air par le spray est donc essentielle. La Vélocimétrie par Images de Particules sur traceurs Fluorescents, associée à un traitement spécifique des champs de vitesses instantanés de la phase gazeuse externe sont utilisés afin d'obtenir des mesures en proche frontière du spray. Dans la zone quasi statique du spray, un effet important de la densité ambiante sur le taux de mélange est mis en évidence. D'autre part, la diminution du diamètre de trou d'injecteur améliore sensiblement le taux de mélange local. Pour compléter cette analyse, un gain du taux de mélange entre les deux injecteurs est calculé pour chaque densité ambiante. Pour les fortes densités, le gain issu de la réduction du diamètre de trou peut at! teindre une valeur importante (> 60%). La phase gazeuse latérale dans la zone instationnaire du spray est ensuite investiguée et la méthodologie de la F-PIV est transposée à cette zone. Un lien entre la longueur de pénétration du spray et des longueurs d'entraînement est défini. La densité ambiante n'a pas d'effet sur ces longueurs d'entraînement. La diminution du diamètre de trou engendre une augmentation du gaz entraîné à une distance plus courte du nez de l'injecteur. Cependant, cette étude montre que les deux sprays n'engendrent pas un entraînement de gaz similaire. / The actual development of the engine must reply to a will of fuel consumption reduction and to stricter norms concerning the pollutant emissions. Although the Diesel engines are competitive, the NOx and soot particle emissions mainly come from the existence of wealthy fuel zone preventing an optimal combustion. Therefore, the air / fuel mixing preparation, highly controlled by the air entrainment in spray, is essential. Particle Image Velocimetry on fluorescent tracers, associated with a specific processing of the instantaneous velocity fields have been applied to obtain measurements in the near vicinity of the spray edge. In the "quasi- teady" region of the spray, the important effect of the ambient density on the mixing rate has been pointed out. On the other hand, an orifice diameter decrease significantly improves the local air / fuel ratio. To complete this analyse, a gain in mixing rate between two different injectors has! been calculated for each gas density. For high densities, the gain due to a reduction of the hole diameter can reach important value (> 60%). Then, lateral gaseous phase in no stationary zone of spray is studying and F-PIV method is transposed to this zone. A link between the penetration length and entrainment lengths is defined. Ambient density has not effect on entrainment lengths. The hole diameter decrease generates entrained gas increase at shorter distance of injector nozzle. However, this study shows two sprays do not generated the same gas entrainment

Ce travail à la fois expérimental et numérique s'inscrit dans le cadre des études menées sur le captage des polluants sur les machines tournantes et porte plus particulièrement sur la caractérisation de la dispersion des fines particules d'usinage : i.e. ces particules sont assimilées à un traceur passif du fait de leur temps de réponse aérodynamique négligeable. L'objectif recherché à travers cette étude est de développer une méthode numérique de conception des captages des polluants sur machines d'usinage. Le premier travail a donc consisté à réaliser un dispositif expérimental recréant une situation similaire à une opération de meulage, mais dans un cadre parfaitement contrôlé. L'écoulement retenu est celui engendré par un cylindre en rotation dans une veine d'essai ventilée. Un polluant particulaire, représenté par des microbilles de verre sphériques, est généré dans la veine d'essai (en utilisant un système d'ensemencement en particules), recréant ainsi les effets aérauliques des plus grosses particules d'usinage. Un gaz traceur, représentant la fraction fine de particules, est injecté simultanément avec le jet de particules via un capillaire placé à la source. Les propriétés du jet de particules obtenu sont caractérisées par vélocimétrie par suivi de particules (PTV) afin d'obtenir des données d'entrée et de validation pour les simulations numériques. La méthode de suivi de particules, mise au point dans le cadre de cette étude reste robuste même dans les zones fortement chargées en particules (i.e. la région source du jet). Le champ de vitesse de la phase gazeuse a quant à lui été caractérisé par vélocimétrie par images de particules (PIV), au moyen d'un code développé spécifiquement (Belut 2006 [4]). La dispersion d'un gaz traceur (hexafluorure de soufre - SF6) émis simultanément avec le jet de particules est ensuite étudiée expérimentalement : la dispersion d'un tel gaz est en effet jugée représentative de celle des plus fines particules d'usinage dont le temps de réponse aérodynamique est négligeable. Enfin, une modélisation complète du banc d'essai est réalisée afin de permettre une comparaison avec les résultats expérimentaux pour ainsi progresser dans la validation des modèles utilisés pour décrire la dispersion d'un traceur gazeux représentatif des fines particules. Le logiciel commercial Fluent est employé pour les simulations numériques / This study based at the same time in experimental and numerical aspect, is part of the framework to understand deeply the capture of pollutants on rotating machines and focuses especially on the characterization of the dispersion of fine particles generated by machining operations : i.e. these particles are assimilated as a passive tracer due to their negligible aerodynamic response time. The main objective covered by this study is to develop a numerical method of close capture exhausts systems for machining devices. The first task was to achieve an experimental device re-creating a similar grinding operation in a perfectly controlled environment. The flow used is defined as the one generated by a rotating cylinder in a ventilated test rig. A pollutant of particles, represented by spherical glass beads, is produced inside the test rig (by using a seeding system of particles), recreating therefore the aerodynamic effects of largest machining particles. A tracer gas, representing the fraction of fine particles, is injected simultaneously with the jet of particles through a capillary tube placed at the source. The properties of the jet of particles obtained are characterized by particle tracking velocimetry (PTV) allowing then to obtain data input and validation of numerical simulations. This particle tracking technic, developed in this study remains as robust method even in heavily loaded particles (i.e. the source region of the jet). The velocity field of the gas phase has meanwhile been characterized by particle image velocimetry (PIV), using a code developed specifically for this assay (Belut 2006 [4]). The dispersion of a tracer gas (sulfur hexafluoride - SF6) emitted simultaneously with the jet of particles is then studied experimentally : the dispersion of such a gas is indeed considered representative of finest particles which aerodynamic response time is negligible. Finally, a complete modeling of the experimental test rig is performed to allow comparison with experimental results in order to progress in the validation of models used to describe the dispersion of a tracer gas representative of finest particles. The commercial soft ware FLUENT is used for numerical simulations

La carotide est une artère très importante, car elle a pour fonction, principale avec le tronc basilaire d'irriguer le cerveau. Le flux sanguin dans cette région est complexe durant un cycle cardiaque. Les différentes formes de flux et en particulier le vortex ont rarement été discutés auparavant, et le battement de la paroi n'est pas pris en compte. Ce travail de thèse est une contribution pour comprendre l'évolution du vortex et les éléments qui l'influencent, en particulier les battements de parois, pour une recherche expérimentale au niveau de modèles de la bifurcation carotidienne. Les fantômes de carotide avec une transparence et une élasticité des parois artérielles proches de la réalité ont été réalisés par la technique de prototypage rapide. La description des phénomènes de flux et de vortex ont été réalisée dans les fantômes rigide et souple des carotides essentiellement de deux manières : longitudinalement par caméra rapide et transversalement par IRM. Une plateforme économique de PIV a été établie pour quantifier précisément le comportement du vortex avec des vecteurs de vitesse. Une méthode de segmentation de région de vortex et une analyse quantitative ont été mises au point pour étudier leur évolution durant le cycle cardiaque par IRM. La reproductibilité du vortex a été validée par une approche statistique. Les paramètres influençant le comportement des vortex dans les fantômes souple et rigide ont été étudiés. Enfin, une étude de faisabilité sur les vortex dans les fantômes en forme de carotide réelle a été réalisée pour la première fois. / The carotid artery is very important because its main function, with the basilar artery, is to irrigate the brain. The blood flow in this region is complex during a cardiac cycle. The various shapes of flow, in particular, the vortex, has rarely been discussed before and the beating of the arterial wall has not been taken into account. This thesis is a contribution to understand the evolution of the vortex and its factors, in particular the beating of arterial wall in experimental research at the carotid bifurcation. The elastic carotid phantoms with transparency and similar elasticity to real arterial walls properties have been made by rapid prototyping technique. The descriptions of vortex in the rigid and elastic carotid phantoms have been studied in two ways : longitudinal by a high-speed frame camera and tranversal by MRI sequences. An economic PIV platform that can accurately quantify the vortex by velocity vectors has been mounted. Asegmentation method to quantify and analyze the area of the vortex has been developed to study its evolution during the cardiac cycle by MRI. The reproducibility of the vortex has been validated by a statistical approach. The parameters influencing the behavior of vortex have been investigated in rigid and elastic phantoms. At the end, the study of vortex in real-carotid-shaped phantom has been tested for the first time.

L'utilisation de fluides au comportement rhéologique complexe (seuil d'écoulement, thixotropie) est de plus en plus courante dans notre quotidien. Une description globale du comportement n'est pas suffisante et c'est pourquoi ce travail se focalise sur la détermination locale des propriétés de ces matériaux complexes. Pour cela nous nous appuyons sur des méthodes optiques pour obtenir des informations sur la contrainte et la vitesse de cisaillement. Nous avons choisi d'opter pour la PIV (Particle Image Velocimetry) pour l'obtention du gradient de vitesse et la photoélasticimétrie pour la mesure de contrainte. L'emploi de ces deux techniques de mesure oblige que les fluides étudiés soient transparents et biréfringents. Nous étudions alors une solution de Milling Yellow (fluide au comportement rhéologique simple) pour valider nos techniques de mesure et des suspensions de Laponite qui sont des fluides à seuil et thixotropes. La première étape de ce travail consiste à avoir une idée générale du comportement rhéologique des fluides d'où leur caractérisation à l'aide d'un rhéomètre. Ensuite, dans une géométrie où la répartition de contrainte est connue (géométrie à cylindres coaxiaux), nous déterminons les lois rhéo-optiques nous permettant de relier la contrainte dans le matériau à sa réponse optique. Enfin, dans une géométrie plan-plan, nous couplons les deux techniques de mesure optiques (PIV et photoélasticimétrie) afin de reconstruire un rhéogramme local des différents fluides étudiés pouvant être comparé à celui issu de mesures classiques de rhéométrie. / The use of fluids with a complex rheological behavior (yield stress, thixotropy) is becoming more common in our daily lives. However, a global description of this behavior is not satisfactory even if it is quickly and easily accessible. The aim of this work is to advance in the understanding of complex behaviors at a local scale. Optical methods are the best way to do that. In our case, we need to get information about the shear stress and the shear rate. So we need a measurement technique for each of these variables. A PIV (Particle Image Velocimetry) technique is used to obtain the shear rate and the shear stress is determined by photoelasticimetry. The use of these two techniques requires that the studied fluids are transparent and birefringent. Then, our measurement techniques are validated using a Milling Yellow solution (a simple rheological fluid) before studying Laponite suspensions which are thixotropic yield stress fluids. Firstly, a rheometer is used to have a general idea of the rheological behavior of our fluids. Secondly, in a geometry where the shear stress distribution is known (a coaxial cylinders geometry), rheo-optical laws connecting the shear stress within the material to its optical response are determined. Finally, in a plate-plate geometry, the two optical measurement techniques (PIV and photoelasticimetry) are coupled to reconstruct a local rheogram for the studied fluids that can be compared to the one obtained from conventional Rheometric measurements.

Cette étude introduit une nouvelle approche appelée Bivariate 2D-EMD pour séparer le mouvement organisé à grande échelle, soit la composante basse fréquence de l’écoulement des fluctuations turbulentes, soit la composante haute fréquence dans un champ de vitesse instantané bidimensionnel.Cette séparation nécessite un seul champ de vitesse instantané contrairement aux autres méthodes plus couramment utilisées en mécanique des fluides, comme le POD. La méthode proposée durant cette thèse est tout à fait appropriée à l’analyse des écoulements qui sont intrinsèquement instationnaires et non linéaires comme l'écoulement dans le cylindre lorsque le moteur fonctionne dans des conditions transitoires. Bivariate 2D-EMD est validé à travers différents cas test, sur un écoulement turbulent homogène et isotrope (THI) expérimental, qui a été perturbé par un tourbillon synthétique de type Lamb-Ossen, qui simule le mouvement organisé dans le cylindre. Enfin, Il est appliqué sur un écoulement expérimental obtenu dans un cylindre et les résultats de la séparation d'écoulement sont comparés à ceux basés sur l'analyse POD. L’évolution d’écoulement dans le cylindre pendant le fonctionnement du moteur transitoire, c’est à dire une accélération du régime moteur de 1000 à 2000tr/min en différentes rampes, sont mesurée en utilisant de PIV 2D-2C haute cadence. Les champs de vitesse sont obtenus dans le plan de tumble dans un moteur un moteur GDI mono-cylindre transparent et forment une base de données nécessaire pour valider les résultats de simulation numérique. / This study introduces a new approach called Bivariate 2D-EMD to separate large-scale organizedmotion i.e., flow low frequency component from random turbulent fluctuations i.e., high frequency onein a given in-cylinder instantaneous 2D velocity field. This signal processing method needs only oneinstantaneous velocity field contrary to the other methods commonly used in fluid mechanics, as POD.The proposed method is quite appropriate to analyze the flows intrinsically both unsteady and nonlinearflows as in in-cylinder. The Bivariate 2D-EMD is validated through different test cases, by optimize itand apply it on an experimental homogeneous and isotropic turbulent flow (HIT), perturbed by asynthetic Lamb-Ossen vortex, to simulate the feature of in-cylinder flows. Furthermore, it applies onexperimental in-cylinder flows. The results obtained by EMD and POD analysis are compared. Theevolution of in-cylinder flow during transient engine working mode, i.e., engine speed acceleration from1000 to 2000 rpm with different time periods, was obtained by High speed PIV 2D-2C. The velocityfields are obtained within tumble plane in a transparent mono-cylinder DISI engine and provide a database to validate CFD.

La rencontre entre une couche limite laminaire se développant sur une plaque plane sous une surface libre et un obstacle rectangulaire émergent mène à l’apparition d’une zone de recirculation complexe appelée tourbillon en fer à cheval à l’amont de l’obstacle. Cette zone de recirculation est composée d’un certain nombre de vortex s’enroulant autour de l’obstacle et pouvant présenter des dynamiques variées. Le but de ce travail est de réaliser une étude expérimentale paramétrique du tourbillon en fer à cheval laminaire et faiblement turbulent. Les mesures sont réalisées par PIV et par trajectographies et des méthodes de détection basés sur la décomposition modale (POD) et la détection des points critiques sont utilisées afin de faciliter l’étude de la dynamique tourbillonnaire. Ce manuscrit se propose de : (i) Déterminer l’évolution des caractéristiques du tourbillon en fer à cheval en fonction des paramètres adimensionnels de l’écoulement. (ii) Mettre en place une typologie des différentes dynamiques exhibées. (iii) Déterminer les mécanismes à l’origine de l’apparition de ces différentes dynamiques à l’aide d’un modèle conceptuel. (iv) Et finalement, étudier l’influence de la longueur de l’obstacle sur le tourbillon en fer à cheval. / A laminar boundary layer developing under a free-surface and interacting with an emerging obstacle lead to the creation of a complex recirculation zone called horseshoe vortex upstream from the obstacle. This recirculation zone is composed of a given number of vortices wrapping around the obstacle with various kind of dynamics. The aim of this work is to perform an experimental parametric study of the laminar, and slightly turbulent horseshoe vortex. Measurements are obtained by PIV and trajectographies and detection method based on modal decomposition (POD) and critical points are used to ease the study of the vortex dynamics. This manuscript intends to : (i) Explain the horseshoe vortex main characteristics evolution with the non-dimensional parameters of the flow. (ii) Define a typology of the different observed vortex dynamics. (iii) Identify the physical mechanisms at the origin of those dynamics through the use of a conceptual model. (iv) And finally, show the influence of the obstacle length on the horseshoe vortex.

Cette thèse CIFRE est le fruit d’une collaboration entre Renault Trucks et le LMFA dans la perspective d’une évaluation de la pertinence du contrôle actif pour la réduction de traînée de véhicule industriel. Les deux principaux objectifs de ces travaux expérimentaux consistent à l’analyse de l’influence de l’écoulement de soubassement sur la dynamique du sillage et l’étude d’une stratégie de contrôle d’écoulement combinant des volets déflecteurs (positionnés sur les bords supérieurs et latéraux du culot) à des actionneurs de type jets pulsés dans l’optique d’une réduction de la traînée aérodynamique d’un corps non profilé à culot droit. Le développement du sillage pour différentes vitesses de soubassement évoluant de 10% à plus de 80% de la vitesse de l’écoulement infini amont est étudié sur une maquette simplifiée de véhicule poids lourd à l’échelle 1/43e. Des mesures de pression au culot permettent d’identifier quatre classes d’écoulement associées à des structures de sillage différentes mises en évidence par des mesures PIV 2D-3C. Le sillage de la première classe d’écoulement obtenu pour les très faibles vitesses de soubassement ressemble au sillage derrière une marche 3D. Pour des vitesses de soubassement plus élevées, l’écoulement de soubassement décolle au niveau du sol et impacte soit le culot ou soit la couche de cisaillement supérieure favorisant le développement des instabilités de type Kelvin-Helmoltz dans ce dernier cas. Enfin, la dernière classe est caractérisée par un sillage comparable à celui d’un corps d’Ahmed. L’ajout de volets déflecteurs à l’arrière du culot engendre une augmentation de la pression au culot pour l’ensemble des classes d’écoulement. Cette augmentation réside principalement dans l’effet de vectorisation de l’écoulement. Un système de contrôle actif est intégré sur une maquette 1/8e géométriquement identique à celle à l’échelle 1/43e et équipée de volets déflecteurs. Deux angles de volet supérieur sont testés afin d’obtenir en moyenne (i) un écoulement naturel attaché à la paroi du volet et (ii) un écoulement naturel détaché du volet. Par rapport au cas sans contrôle actif, des gains sur la traînée sont obtenus pour une certaine gamme de fréquence d’actionnement uniquement dans le cas (ii). Ces gains sont obtenus suite au recollement de l’écoulement sur le volet. Enfin, la robustesse des gains sur la pression au culot est testée avec succès en mettant la maquette en dérapage pour simuler un vent de travers. / This PhD thesis was realized in the scope of a collaboration with Renault Trucks and the LMFA in view of an evaluation of the relevance of active flow control for the drag reduction industrial vehicle. The two main objectives of this experimental work are to analyze the impact of the underbody flow on the wake dynamics and to study a flow control strategy combining inclined flaps (located on the upper and lateral edges of the rear base) with pulsed jet actuators for reducing the aerodynamic drag of a square-back bluff body. The wake development for several underbody velocities ranging from 10% to more than 80% of the free-stream velocity is studied on a simplified truck model at scale 1 :43. Rear base pressure measurements lead to the identification of four flow classes associated with different wake structures highlighted by 2D-3C PIV measurements. The wake of the first flow class obtained for very low underbody velocities looks like that of the wake of a 3D backward facing step. For higher underbody velocities, the underbody flow is separated from the ground impaging either the rear base or the upper shear layer triggering Kelvin-Helmoltz instabilities for this last case. Finally, the fourth class is characterized by a wake comparable to that of the Ahmed body. The implementation of inclined flaps at the rear base increases the base pressure for all classes. This increase is mainly due to the vectoring effect of the flow. An active control system is integrated to a 1 :8 scale model geometrically identical to that of the 1 :43 scale model with flaps. Two upper flap angles are tested to have (i) a natural flow attached to the flap and (ii) a natural flow detached from the flap. In comparison to the case without active flow control, drag reductions are obtained only for a specific range of actuation frequencies only in case (ii). These gains are associated with the reattachment of the flow on the flap. Finally, the robustness of the pressure gains is successfully tested in crosswind conditions.