A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante apparaît comme une alternative auxconcepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d’une applicationpratique (micro-drones ou MAVs), l’évaluation de l’adaptabilité d’un tel mode de sustentationrequiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leurimpact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et descomportements complexes.Les travaux de cette thèse se concentrent sur l'étude du mouvement de vol battu à bas Reynolds (del'ordre de 1000), dans une configuration de vol stationnaire. Le modèle est constitué d’une ailerectangulaire à profil symétrique animé d’un mouvement couplé de battement et de tangage. Cemode de sustentation se caractérise par la génération à proximité de l'aile de structurestourbillonnaires plus ou moins persistantes influant fortement les efforts appliqués à l’aile.L'objectif consiste à analyser l'évolution des mécanismes instationnaires et des efforts en résultant.L'étude porte en particulier sur une analyse approfondie d'un cas de référence, comparé ensuite àd'autre résultats lors d'une étude paramétrique portant sur l’influences de l'allongement d'une part, etde la cinématique du mouvement d'autre part.Les moyens d’investigations adoptés pour mener cette étude sont à la fois numériques etexpérimentaux, L’analyse repose d’une part sur une approche numérique DNS utilisant unetechnique de maillage « chimère », et d’autre part sur des mesures en bassin de type PIV 3D-3Crésolues en temps. La mesure directe des efforts instationnaires de faible niveau étant difficilementenvisageable, une part importante du travail a consisté à adapter une méthode d’évaluation desefforts par bilan de quantité de mouvement à partir des champs de vitesse PIV résolus en temps. Lespoints durs de cette approche, en particulier l’évaluation de la pression à partir des champs devitesse, font l’objet d’une attention particulière. / A low Reynolds number, flapping wings appears as an alternative to conventional concepts of fixed wings and rotary wings aircrafts. In the context of a practical application (micro air vehicles, MAVs), assessing the suitability of such mode of lift generation requires a detailed understanding of the key aerodynamic mechanisms involved and their impact on resulting forces. These are characterized by a strong unsteadiness and complex behaviors.This work focuses on the study of flapping flight at low Reynolds (around 1 000), in a hover configuration. The model consists of a rectangular wing with a symmetrical profile in a flapping motion. This mode is characterized by the generation of vortex structures more or less persistent that strongly influence the forces applied to the wing.The objective is to analyze the evolution of unsteady mechanisms and resulting forces. The study focuses in particular on a thorough analysis of e reference case, then compared to other results in a parametric study on the influence of aspect-ratio on the one hand, and on the kinematic of movement on the other.The means of investigation adopted for this study are both numerical and experimental. The analysis is based in part on a numerical approach using a DNS meshing technique “chimera”, and on experimental approach with 3C-3D TR-PIV measures. Direct measurement of unsteady low forces being difficult to consider, an important part of the work was to adapt a method for evaluating loads by applying momentum equation using PIV velocity fields. The bottleneck of this approach which is the evaluation of the pressure from the velocity fields is subject to special attention.

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment. / Associated problems with sediment transport are one of the major concerns of our society, as an environmental and economic perspective. Few information about local dynamics of erosion is available and especially for cohesive sediments. In this study, we focus on local phenomena acting at the water-sediment interface. First, a transparent sediment model is made based on rheological properties of natural sediments. For this purpose, different mixtures, containing Laponite and carboxymethylcellulose, are tested by varying the concentration and method of manufacture. Measurement protocols are then established and a law of variation of rheological properties as a function of the sediment concentration is determined. Then, definition of flow within the hydraulic channel of the study, without the presence of sediment, is obtained by PIV optical measurements. Average and instantaneous velocity fields allowed us to calculate the turbulent kinetic energy and the laminar and turbulent stresses acting on the bottom. Finally, similar measurements are carried out in the channel with presence of sediments in cases where the sediment is driven or not by hydrodynamic forces. Access to the turbulent kinetic energy as well as laminar and turbulent hydrodynamic stresses provides an understanding of local phenomena causing erosion. Stresses at the interface are compared with those obtained within the sediment via the rheological law highlighting the presence of a critical shear stress related to the sediment properties.

La compréhension de la dynamique de la turbulence de paroi a déjà fait l'objet de nombreuses études expérimentales et numériques depuis des décennies. Le principal intérêt pratique de ces études tient au fait que la contrainte de cisaillement pariétale (et donc le frottement) est étroitement liée à la dynamique des structures à la proximité de la paroi. Les techniques expérimentales en mécanique des fluides ont également fait de grands progrès ces dernières années. Ce travail présente le développement d'une méthode expérimentale visant à fournir des mesures 3D-3C de l´écoulement dans la région de très proche paroi, en vue de mesurer la contrainte de cisaillement à la paroi avec une précision améliorée. Dans ce but, une technique originale de Vélocimétrie Holographique par Images de Particules a été mise au point. Les mesures sont effectuées dans un petit volume à proximité de la paroi dans la soufflerie au Laboratoire de Mécanique de Lille. Des mesures détaillées dans un de l’ordre de 1.5mm3 sont rendues possibles grâce l'utilisation d'un objectif de microscope pour l'agrandissement du champ objet. Les particules sont éclairées par le côté, la lumière diffusée a 90o se recombine avec l'onde de référence pour un enregistrement holographique en ligne de type Gabor. Une procédure d'étalonnage a été développée afin de relier l'espace de reconstruction de l’image holographique aux coordonnées dans le volume de mesure. L'analyse des résultats montre que les images de particules sont reconstruites avec une très bonne résolution axiale, ce qui conduit à penser que la configuration est bien adapté à cette type de mesure. Ces résultats montrent également qu’une optimisation et des ajustements sont nécessaires pour d'améliorer les résultats de suivi de particules / Continuously improving the understanding of wall turbulence dynamics has been the goal of many experimental and numerical studies for decades. The main practical aspect that makes this knowledge so crucial is the fact that the wall shear stress is closely related to the dynamics of the near-wall structures. Experimental techniques in fluid mechanics have also experienced a great amount of advances in recent years. The present work details the development of an experimental configuration aimed at providing 3D-3C flow measurements in the very near-wall region of a large wind tunnel facility, leading to the assessment of the wall shear stress with improved accuracy. With that goal, a technique known as Holographic Particle Image Velocimetry is used, and measurements are made in small volumes close to the wall in the wind tunnel at Laboratoire de Mécanique de Lille. Full measurements in volumes as small as 1.5mm3 are made possible with the use of a microscope objective for magnification of the object field. Particles are illuminated from the side and the 90o scattered field recombines with reference wave for holographic inline recording. A calibration procedure is performed in order to relate reconstruction space coordinates to real measurement volume coordinates. Analysis of resulting particle fields shows that particle images reconstruct with very good axial accuracy, leading to believe that the configuration is indeed suited for this type of measurement. However, some optimization and adjustments are needed in order to improve the particle tracking results

L'étude fondamentale des structures turbulentes proche paroi est d'une significative importance en raison de son rôle dominant dans nombreuses applications d'ingénierie. Dans les écoulements turbulents, structures d'échelles différentes interagissent dans un phénomène complexe caractérisé par un processus autonome et continu. Bien que la présence de modèles de mouvements cohérents semble entretenir la turbulence, l'évolution et l'interaction de ces structures ne sont pas encore complètement compris. Pour analyser ces phénomènes, études d’ecoulements turbulents à proximité de paróis ont été effectuées sur une plaque plane dans une soufflerie et à l'intérieur d'un canal carré d'eau. Ce travail a employé une technique tomographique de vélocimétrie par images de particules pour mesurer de champs de vitesse tridimensionnel. Le traitement des données a été optimisé afin d'améliorer la précision des champs de vecteurs mesurés. Les mesures réalisées ont permis d’obtenir des statistiques conditionnelles des structures cohérentes, à savoir, les régions à faible et à grande vitesse, les "sweeps", les "ejections" et les tourbillons. Les résultats quantitatifs ont montré des structures tourbillonnaires distribués sur tout le flux, cependant, concentrée au voisinage des régions à faible vitesse et des "ejections". Les résultats ont indiqué que les structures tourbillonnaires étaient indirectement corrélés avec le processus de production de la turbulence, bien qu'ils ont été les principaux responsables de la dissipation d'énergie turbulente. / The fundamental study of turbulent structures near a wall is of significant importance due to its dominant role in innumerous engineering applications. In turbulent flows, eddies of different scales interact with each other in a complex phenomenon of a continuous self-sustaining process. Although the presence of patterns of coherent motion seem to be responsible for the maintenance of turbulence, the evolution and the interaction of these structures are still not completely understood. To investigate such phenomena, near-wall turbulent flows over a smooth flat plate in a wind tunnel and inside a square water channel were conducted. The present work employed a high-repetition tomographic PIV technique to measure three dimensional, time-resolved velocity fields. The tomo-PIV processing was optimized in order to improve the algorithm performance and the vector fields accuracy. Conditional statistics of coherent structures, namely, low- and high-speed regions, sweeps, ejections and vortices, were computed, providing quantitative characteristics of these structures. The statistical analyses were performed employing a data post-processing code specially developed for the present work. Results showed vortical structures spread all over the flow, nevertheless, concentrated close to low-speed regions and ejections. Results indicated that vortical structures were indirectly correlated with the process of turbulence production, although they were the main responsible for the turbulent energy dissipation.

[pt] Materiais não Newtonianos reagem de maneira diferente quando expostos a esforços cisalhantes ou extensionais. Uma equação constitutiva em que a tensão é função não só da taxa de deformação, mas também do tipo de escoamento é proposta e analisada teoricamente. Ela combina as informações obtidas em cisalhamento, extensão e movimento de corpo rígido em todas as regiões de um escoamento complexo. Esta equação é testada em códigos numéricos para duas geométricas axissimétricas diferentes: a contração abrupta 4:1 e o canal convergente R (2) z = C. Ambas as geometrias têm sido usadas para efetuar medições da viscosidade extensional. Para validação do modelo, foi construída uma seção de testes com uma contração abrupta 4:1. Foram feitos experimentos com fluidos Newtonianos e viscoelásticos utilizando a técnica de Velocimetria por Imagens de Partículas para determinação do campo de velocidade. / [en] Non-Newtonian materials exhibit different behavior if submitted to shear or extension. A constitutive equation in wich the stress is a function not only of the rate of deformation, but also of the type of the flow is proposed and analyzed theorecticaly. It combines information obtained in shear, extension and rigid body motion in all regions of a complex flow. This equation is tested with numerical codes for two different axissymmetrical geometries, namely, the 4:1 abrupt contraction and the R(2)z=C convergent channel. Both geometries have been employed to measure the extensional viscosity. In order to validate the model, a test section was buit with a 4:1 contraction. Newtonian and viscoelastic fluids were tested using the Particle Image Velocimetry technique to determine the velocity field.

Ce travail est consacré à une étude approfondie sur le procédé anaérobie pour les traitements des eaux usées et des boues d’épuration afin d’améliorer la production de biogaz. Tout d’abord, l’hydrodynamique dans un réacteur de type circulation interne (IC) a été caractérisée en maquette froide. La vitesse de circulation du liquide dépend davantage de l’écoulement de la phase gazeuse que de la phase solide, l’influence du débit de liquide entrant étant la plus faible des trois. La taille de bulles influe non seulement sur la vitesse de cisaillement mais aussi sur les types d’interactions bulles-granules. L’effet de la vitesse de cisaillement moyenne a ensuite été étudié dans une cuve agitée en maquette chaude. Lorsque la vitesse de cisaillement moyenne augmente, le débit de biogaz passe par un maximum pour une valeur de 6,8 s-1, tandis que le pourcentage en méthane diminue continument. La déformation des granules est provoquée par cisaillements et collisions, à masse volumique constante. A micro-échelle, une déformation locale d’un cratère à l’extrémité du canal d’acheminement du biogaz est découverte pour la première fois. Le diamètre de ce cratère est proportionnel à la taille du pore, et la pression de compression de la microbulle estimée par la loi de Laplace est comparable à la résistance mécanique du granule mesurée par la pénétrométrie. Enfin, l’étude s’attache aux propriétés rhéologiques de boues digérées hautement concentrées. Un comportement rhéofluidifiant à seuil de contrainte, et un comportement viscoélastique sont caractérisés. L’effet de la concentration en solide est beaucoup plus significatif que celui de la température. En outre, des expériences d’impact par une bille sur des boues digérées hautement concentrées sont réalisées pour révéler sa dynamique transitoire. Un modèle simplifié de la trainée est établi pour estimer le module de l’élasticité ainsi que la viscosité d’impact / This work is devoted to an in-depth study on the anaerobic process for wastewater treatment and sewage sludge treatment in order to intensifier the biogas production. Firstly, the hydrodynamic in an internal circulation (IC) reactor was characterized by experimental simulation. The relative importance of the three phases is ordered as gas > solid > liquid for the liquid circulation velocity. The bubble size affects not only the shear rate but also the types of interaction between bubbles and granules. Then the effect of mean shear rate was investigated in an anaerobic stirred tank reactor. With the increase of mean shear rate, the flow rate of biogas passes through a maximum at the shear rate of 6.8 s-1, while the methane content decreases continuously. The deformation of granules is induced by shear stress and collisions; nevertheless the granules’ density remains unchanged. At micro-scale, a local deformation in the shape of crater located at the extremity of biogas channel was detected for the first time. The cater diameter is proportional to the size of gas exit pore, and the compression pressure of the microbubble estimated by the Young-Laplace equation compares favorably with the mechanical resistance of granule measured by penetrometry. Finally, the study focused on the rheological properties of the highly concentrated digested sludge. A shear thinning behavior with a yield stress and a viscoelastic property were characterized. The effect of solid content is much more significant than that of temperature. Furthermore, the experiments of a sphere impacting on the highly concentrated digested sludge were carried out to reveal its transient dynamics. A simplified drag force model was established to estimate the elasticity modulus and the impact viscosity

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

[pt] As válvulas de alívio de pressão (PRVs, do inglês, pressure relief valves) são dispositivos fundamentais para a segurança de operações em dutos de transporte de fluidos, sendo encarregadas de garantir a integridade das instalações no caso de algum bloqueio súbito do escoamento. Dependendo da natureza e duração do evento de bloqueio, das características da válvula de alívio e do comprimento do duto, o comportamento dinâmico da PRV, i.e., seu tempo de resposta e o coeficiente de descarga em função da abertura, podem variar consideravelmente. Estas informações mais detalhadas sobre o comportamento transiente da válvula não são especificadas em normas e raramente são disponibilizadas pelos fabricantes. Uma caracterização detalhada do comportamento dinâmico da válvula de alívio é informação importante para a simulação computacional de transientes hidráulicos em dutos de líquido. Em particular, o comportamento dinâmico do coeficiente de descarga da válvula não é conhecido, sendo por vezes simplificadamente representado por dados obtidos em condições de regime permanente. No presente trabalho foi realizado um estudo detalhado do comportamento dinâmico de um modelo de válvula de alívio, com o objetivo de obter informações comparativas sobre o comportamento do coeficiente de descarga da válvula quando investigada sob condições de regime permanente e transiente rápido. Para isso, construiu-se um modelo de PRV transparente, permitindo a medição de campos instantâneos de escoamento em seu interior com a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas em duas dimensões (PIV). Transdutores de pressão e deslocamento foram devidamente instalados de maneira a fornecer informações instantâneas sobre a queda de pressão e posição de abertura da válvula, com alta resolução temporal. O modelo da válvula transparente foi montado em um circuito fechado, no qual água era bombeada através de uma tubulação longa, passando pela PRV e por uma válvula de bloqueio com tempo de fechamento controlado eletronicamente, podendo produzir bloqueios súbitos no escoamento, com tempos na faixa de 4 ms a 3,5 s. Sistemas de controle foram especialmente desenvolvidos para sincronizar os eventos de bloqueio da válvula, disparo do laser do sistema PIV, aquisição de imagens e dados de pressão e deslocamento. Estes dados permitiram a determinação do valor instantâneo e de média de fase para o coeficiente de descarga da válvula de alívio de pressão no caso transiente. / [en] Pressure relief valves (PRVs) are important devices which guarantee the safe operation of liquid pipelines, being responsible for preserving the integrity of the duct in case a sudden flow blockage event occurs. The PRV s dynamic behavior, that is, its response time and discharge coefficient as a function of open fraction, can vary considerably depending on the nature and duration of the blockage event, on the valve s characteristics and on the duct length. This more detailed information on the valve s transient behavior is not specified in standards and is rarely made available by valve manufacturers. A detailed characterization of the valve s dynamic behavior is relevant information for the computational simulation of hydraulic transients in liquid pipelines. In particular, the dynamic behavior of the valve discharge coefficient is not known, being normally replaced by data obtained from tests under steady state conditions. In the present work, a detailed study was conducted using a valve model with the objective of obtaining comparative information on the valve discharge coefficient for steady and transient conditions. To this end, a transparent PRV model was constructed in order to allow for the use of the two-dimensional Particle Image Velocimetry technique (PIV) for measuring the instantaneous flow field inside the valve. Pressure and displacement transducers were employed to yield instantaneous information on the pressure drop and valve opening. The valve model was installed in a closed circuit where water was pumped through a long pipe, passing through the PRV and through the blockage valve that was capable of producing flow blockage events in the range of 4 ms to 3.5 s. Control systems were specially constructed to synchronize the events of valve blockage, PIV laser firing, and acquisition of pressure, and displacement data. These data allowed the determination of the instantaneous and phase-averaged values for the valve discharge coefficient.

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